交流斩波调压系统

1.本发明属于交流斩波调压技术领域，涉及一种交流斩波调压系统。


背景技术：

2.交流斩波调压技术通过高频斩波的方法，减少了输出电压、电流中的谐波含量。然而，传统的交流斩波系统，虽然可以实现斩波功能，但是在过零点切换时，由于控制策略和本身的拓扑结构所带来的固有缺陷导致严重的短路问题，进而导致器件损坏，影响系统可靠性。因此进一步研究，过零检测的切换方法，解决短路问题，提升系统的稳定性是本行业目前要研究的重要课题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种交流斩波调压系统，解决了传统交流调压系统在过零点检测时存在的短路问题。
4.本发明所采用的技术方案是，交流斩波调压系统，包括由igbt1、igbt2构成斩波电路和igbt3、igbt4构成续流电路；电流霍尔传感器检测主电路电流，经过滤波，调相和过零比较处理，将电流相位信号送给cpld；电压霍尔传感器检测主电路输入电压，经过滤波，调相和过零检测处理，将电压相位信号送给cpld，系统使用cpld芯片构成控制电路，输出的控制信号经过隔离电路控制主电路中的igbt的开通和关断，从而实现调压的目的。
5.本发明的特点还在于：
6.交流斩波调压系统的设计方法，具体包括如下步骤：
7.步骤1，设计交流斩波调压电路的拓扑结构；
8.步骤2，设计igbt驱动电路；
9.步骤3，进行基于过零检测技术的交流斩控调压控制时序分析；
10.步骤4，进行过零检测系统设计与分析。
11.步骤1的具体过程为，采用4组igbt串联的拓扑母线结构，通过pwm信号调制igbt的通断，实现交流斩波，进而实现调压功能；由vt1、vt2单管反并联双向电力电子开关作为双向斩波开关，vt3、vt4作为双向续流开关，l、c组成低通滤波器。
12.步骤2中，采用光隔芯片作为igbt驱动电路的igbt栅极驱动器。
13.步骤3的具体过程为：控制时序分为a～d四个区域，在a区中时，电压过零信号为正，电流过零信号为负，vt1和vt4关断，vt3控制斩波工作，当vt3关断时，u0＝u1；在b区中时，电压、电流过零信号均为正，由vt1控制斩波，vt4持续导通为电感提供续流通路，当vt1导通时u0＝u1；在c区中时，电压过零信号为负，电流过零信号为正，此时斩波工作由vt4控制，当vt4关断时u0＝u1，vt1持续导通形成续流通路；在d区中时，电压、电流过零信号均为负，此时vt2控制斩波工作，vt3持续导通形成续流通路，当vt2导通时u0＝u1。
14.步骤4的具体过程为：将电压过零信号超前于交流电压信号一个角度a，将电流过零信号滞后于交流电流信号一个角度b，电压过零信号超前于输入电压的相位，电流过零信
号滞后于输入电流的相位。
15.本发明的有益效果是，本发明设计带调相功能的过零检测电路，检测出电压和电流的正负半周期，在不同的区域使用不同的控制策略。解决了负载是阻感性负载或阻容性负载时，斩波电路会出现斩波失控现象。同时在交流电过零点附近，由于高次谐波的干扰，交流电会出现重复过零现象,在这个区域进行简单的斩波会导致主电路短路。本次设计提出的过零检测电路在过零检测的同时要进行调相处理，将测量出的精确电压和电流过零信号进行调相。避免了在此区域简单斩波导致的主电路短路。
附图说明
16.图1是本发明交流斩波调压系统的结构框图；
17.图2是本发明交流斩波调压系统的设计方法中设计的交流斩波调压电路主拓扑图；
18.图3是本发明交流斩波调压系统的设计方法中设计的igbt驱动电路图；
19.图4是本发明交流斩波调压系统的设计方法中基于过零检测的非互补式交流斩波控制时序；
20.图5是本发明交流斩波调压系统的设计方法中交流斩波相位关系图；
21.图6是本发明交流斩波调压系统的设计方法中带调相功能的过零检测电路图；
22.图7(a)、(b)是本发明交流斩波调压系统的设计方法中霍尔传感器电路图；
23.图8是本发明交流斩波调压系统的设计方法中电压过零检测波形图；
24.图9是本发明交流斩波调压系统的设计方法中电流过零检测波形图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
26.实施例1
27.本发明交流斩波调压系统，结构如图1所示，igbt1和igbt2构成斩波电路，igbt3和igbt4构成续流电路。电流霍尔传感器检测主电路电流，经过滤波，调相和过零比较处理，将电流相位信号送给cpld。同样，电压霍尔传感器检测主电路输入电压，经过滤波，调相和过零检测处理，将电压相位信号送给cpld。系统使用cpld芯片构成控制电路，输出的控制信号经过隔离电路控制主电路中的igbt的开通和关断，从而实现调压的目的。
28.实施例2
29.本发明交流斩波调压系统的设计方法，具体包括如下步骤：
30.本发明的交流斩波系统的设计方法，包括以下步骤：
31.步骤1，交流斩波调压电路的拓扑结构设计，具体为：
32.采用4组igbt串联的拓扑母线结构，通过pwm信号调制igbt的通断，实现交流斩波，进而实现调压功能。如图2所示，交流斩波调压电路是由vt1、vt2单管反并联双向电力电子开关作为双向斩波开关，vt3、vt4作为双向续流开关，l、c组成低通滤波器。
33.步骤2，驱动电路设计，具体为：
34.igbt驱动电路设计如图3所示。在设计的过程中结和igbt的基本参数，决定采用光隔芯片tlp250作为igbt驱动电路的igbt栅极驱动器。tlp250是一种可以直接驱动小功率
igbt的功率型光隔芯片，输出电流为
±
2a，输入最大阈值电流if＝5ma，最大电源电流icc＝11ma，电源电压vcc＝10～35v；最大开关时间t
plh
/t
phl
＝0.5μs；输入输出最大隔离电压ug＝2500vrms。选用tlp250光隔芯片作为igbt的栅极驱动芯片既可以保证功率驱动电路与pwm脉宽调制电路可靠隔离，同时满足驱动igbt栅极的能力。
35.步骤3，基于过零检测技术的交流斩控调压控制时序分析，具体为：
36.为了消除非互补式交流斩波调压控制中的斩波失控现象，在本发明中选用的调压控制时序策略，是基于电压、电流过零检测技术的交流斩波控制调压方式，本发明设计的交流斩波调压器系统的实验过程中，采用一套照明系统作为实验的主要负载，使用的照明设备也多为阻感性负载，基本的工作原理与阻感性负载的非互补式交流斩波调压控制时序相差不多，控制时序如图4所示。只是将从电压电流传感器中产生的电压、电流过零检测信号方波作为控制时序的控制信号源。在实际的试验中，电压过零信号相对于实际电路中的电压信号，相位超前角度为而实际电路中的电流信号的相位超前于电流过零检测信号的相位角度为控制时序的基本原理与时序分区均与上节所述的方式相同，在a区中时，电压过零信号为正，电流过零信号为负，vt1和vt4关断，vt3控制斩波工作，当vt3关断时，u0＝u1；在b区中时，电压、电流过零信号均为正，由vt1控制斩波，vt4持续导通为电感提供续流通路，当vt1导通时u0＝u1；在c区中时，电压过零信号为负，电流过零信号为正，此时斩波工作由vt4控制，当vt4关断时u0＝u1，vt1持续导通形成续流通路；在d区中时，电压、电流过零信号均为负，此时vt2控制斩波工作，vt3持续导通形成续流通路，当vt2导通时u0＝u1。使用电压、电流过零检测信号作为控制时序的控制信号，可以使斩波过程更加稳定不出现失控现象。
37.步骤4，过零检测系统设计与分析
38.交流斩波调压系统的负载可能是纯阻性负载、阻感性负载或阻容性负载。当负载为阻容性负载或阻感性负载时，主电路的电压与电流存在一定的相位差，在一个电压周期内存在电压和电流极性相反的区域，本发明设计带调相功能的过零检测电路，检测出电压和电流的正负半周期，在不同的区域使用不同的控制策略。解决了负载是阻感性负载或阻容性负载时，斩波电路会出现斩波失控现象，同时在交流电过零点附近，由于高次谐波的干扰，交流电会出现重复过零现象。本专利设计带调相功能的过零检测电路，将测量出的精确电压和电流过零信号进行调相。避免了在此区域简单斩波导致的主电路短路。
39.实施例3
40.在实施例2的基础上，步骤4中，以阻感性负载为例，在阻感性负载的时候，电压超前于电流。可使用调相电路，使输出的电压过零信号超前于检测的交流电压信号，输出的电流过零信号滞后于检测的交流电流信号。斩波相位关系如图5所示。
41.图5中的区域1和区域3为电压和电流同向的区域，理论上在这两个区域进行斩波，然而电压和电流过零点附近会出现振荡过零的现象。本次设计提出将过零信号调相的方法，如图5所示，将电压过零信号超前于交流电压信号一个角度a，将电流过零信号滞后于交流电流信号一个角度b，基于这种过零信号的斩波控制将在区域2和区域4进行斩波，在区域1和区域3进行另一种斩控方式，可以避开电压和电流的振荡过零区域，保障斩波电路安全持久运行。过零检测信号本身与输入信号就有一定的相位差，电压过零信号超前于输入电压的相位，电流过零信号滞后于输入电流的相位，且超前角与滞后角的角度值并不相同，这就避免了斩波电路在过零点区域出现的震荡干扰。
42.如图7(a)所示电压霍尔传感器vsm025a用于检测主电路中的电压信号，结合图6，由图6中u2的2管脚输出电流信号转换为电压信号，利用运算放大器tl084结合前后两级电路的输入输出阻抗构成一个电压跟随电路，对滤波电路信号幅值的衰减进行补偿。
43.为了将输出的交流信号转换为方波信号，在本发明中使用了芯片lm393作为过零比较电路的主要器件。同时为了对输入端信号进行滤波，在电容的选择上，选用了耐压高稳定性强的cbb电容，在利用lm393作为比较器后，输入信号的上升与下降时间变得相当快，这就使输出信号的上升沿变得陡峭。输出信号控制三极管的通断，输出ttl电平的电压过零检测方波信号。当电压出现由负转为正，即当电压检测信号出现一个上升沿的脉冲信号时，则该信号便被传输给cpld作为判断此时输出电压相位的依据。图8为电压过零检测波形。
44.同理，如图7(b)所示电流霍尔传感器csm020cg用于检测主电路中的电流信号，将电流信号转换为电压信号后，送给电压跟随器。经过滤波后在经过由lm393的过零比较电路，对信号进行比较，输出ttl电平的电流过零检测方波信号，当负载电流过零时，检测信号会产生一个脉冲信号，提供给cpld作为判断此时刻输出电流相位的依据。图9为电流过零检测波形。

技术特征：
1.交流斩波调压系统，其特征在于：包括由igbt1、igbt2构成斩波电路和igbt3、igbt4构成续流电路；电流霍尔传感器检测主电路电流，经过滤波，调相和过零比较处理，将电流相位信号送给cpld；电压霍尔传感器检测主电路输入电压，经过滤波，调相和过零检测处理，将电压相位信号送给cpld，系统使用cpld芯片构成控制电路，输出的控制信号经过隔离电路控制主电路中的igbt的开通和关断，从而实现调压的目的。2.根据权利要求1所述的交流斩波调压系统的设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1，设计交流斩波调压电路的拓扑结构；步骤2，设计igbt驱动电路；步骤3，进行基于过零检测技术的交流斩控调压控制时序分析；步骤4，进行过零检测系统设计与分析。3.根据权利要求2所述的交流斩波调压系统，其特征在于：所述步骤1的具体过程为，采用4组igbt串联的拓扑母线结构，通过pwm信号调制igbt的通断，实现交流斩波，进而实现调压功能；由vt1、vt2单管反并联双向电力电子开关作为双向斩波开关，vt3、vt4作为双向续流开关，l、c组成低通滤波器。4.根据权利要求3所述的交流斩波调压系统，其特征在于：所述步骤2中，采用光隔芯片作为igbt驱动电路的igbt栅极驱动器。5.根据权利要求4所述的交流斩波调压系统，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：控制时序分为a～d四个区域，在a区中时，电压过零信号为正，电流过零信号为负，vt1和vt4关断，vt3控制斩波工作，当vt3关断时，u0＝u1；在b区中时，电压、电流过零信号均为正，由vt1控制斩波，vt4持续导通为电感提供续流通路，当vt1导通时u0＝u1；在c区中时，电压过零信号为负，电流过零信号为正，此时斩波工作由vt4控制，当vt4关断时u0＝u1，vt1持续导通形成续流通路；在d区中时，电压、电流过零信号均为负，此时vt2控制斩波工作，vt3持续导通形成续流通路，当vt2导通时u0＝u1。6.根据权利要求5所述的交流斩波调压系统，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：所述步骤4的具体过程为：将电压过零信号超前于交流电压信号一个角度a，将电流过零信号滞后于交流电流信号一个角度b，电压过零信号超前于输入电压的相位，电流过零信号滞后于输入电流的相位。

技术总结
本发明公开了一种交流斩波调压系统，包括由IGBT1、IGBT2构成斩波电路和IGBT3、IGBT4构成续流电路；电流霍尔传感器检测主电路电流，经过滤波，调相和过零比较处理，将电流相位信号送给CPLD；电压霍尔传感器检测主电路输入电压，经过滤波，调相和过零检测处理，将电压相位信号送给CPLD，系统使用CPLD芯片构成控制电路，输出的控制信号经过隔离电路控制主电路中的IGBT的开通和关断，从而实现调压的目的。本发明解决了传统交流调压系统在过零点检测时存在的短路问题。存在的短路问题。存在的短路问题。


技术研发人员：雷鸣 郭轩 付永升 雷志勇 陈科
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/8/1