單相AC-DC變換電路(A)

1、全國大學(xué)生電子設(shè)計竟賽競賽隊號：20130207隊員：尹星 張柯 盧文俊競賽題號:（A題）單相AC-DC變換電路（A題） （本科組） 摘要本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)為控制核心,輔以boost升壓電路、功率因數(shù)校正電路和功率因數(shù)測量電路等組成。該設(shè)計利用IR2104驅(qū)動IRF540，單片機產(chǎn)PWM波控制IRF540通斷，通過升降壓以及反饋控制使輸出電壓穩(wěn)定在36V.通過UCC28019實現(xiàn)對功率因素的校正，利用TLC372外圍電路實現(xiàn)對功率因數(shù)的測量。該系統(tǒng)實現(xiàn)了電壓的高效率轉(zhuǎn)換，使電壓傳送損耗更小，更加節(jié)能。功率因數(shù)是評價電力設(shè)備和儀器性能的重要指標，由于電力電子裝置的應(yīng)用

2、日益廣泛，給當前的電網(wǎng)電壓，電能帶來了嚴重的質(zhì)量問題。本系統(tǒng)采用有源功率因數(shù)校正（APFC）方法，減小了諧波失真。具有良好的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率,輸入電流波形失真度?。∧夸?.引言12.設(shè)計方案與論證12-1.系統(tǒng)總體方案12-2方案論證12-2-1 升降壓電路的選擇12-2-2 PFC控制電路選擇22-2-3 過流保護23.單元模塊設(shè)計33-1功率因數(shù)校正電路33-2功率因數(shù)測量電路33-3主電路及參數(shù)計算43-3-1 開關(guān)場效應(yīng)管及肖特基二極管的選擇43-3-2 電感參數(shù)計算43-3-3電容參數(shù)計算44軟件設(shè)計55 數(shù)據(jù)測試66系統(tǒng)方案結(jié)果分析與總結(jié)67附件7附件1 系統(tǒng)電路圖7附件2

3、系統(tǒng)實物圖8附件3 部分源代碼91.引言PFC意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以視在功率的比值。 基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當功率因素值越大，代表其電力利用率越高，本系統(tǒng)采用TI公司的PFC控制芯片UCC28019為核心的功率因數(shù)校正的基本原理和實現(xiàn)方法。系統(tǒng)主要由取樣電路、功率因數(shù)校正以及控制和顯示電路幾個模塊組成。該設(shè)計的特點在于首先通過監(jiān)測電路對電路進行監(jiān)測,然后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,運用控制電路來調(diào)節(jié)PFC控制芯片UCC28019的電壓誤差放大器大小,從而穩(wěn)定輸出設(shè)定電壓,通過調(diào)節(jié)電流誤差放大器的輸入來提高電源功

4、率因數(shù)。實踐證明采用APFC后,輸出電壓紋波大大降低，實現(xiàn)了功率因數(shù)校正。2.設(shè)計方案與論證2-1.系統(tǒng)總體方案 圖2-12-2方案論證2-2-1 升降壓電路的選擇 方案1：采用BUCK電路與Boost電路相結(jié)合的的組合電路，由單片機經(jīng)繼電器控制需要選擇的電路模式，交流電壓AC 24V經(jīng)橋堆后電壓會變成大于24V的DC.系統(tǒng)要求輸出電壓穩(wěn)定在36V,此時單片機片經(jīng)由AD采集轉(zhuǎn)換判斷經(jīng)橋堆后的的電壓是大于36V還是小于36V，當小于36V時單片機通過繼電器選擇boost升壓電路，反之選擇buck電路。方案2：直接使用BOOST升壓電路可以通過開關(guān)管IRF540調(diào)節(jié)輸出的電壓，開關(guān)管受AVR單片機

5、產(chǎn)生的PWM波經(jīng)由IR2104驅(qū)動IRF540的通斷，輸出電壓Uo=Uin*(D/(1-D)公式中D為PWMD的占空比，這種方案簡單易行容易上手。 比較以上兩個方案，方案二雖然簡單易行對于軟件的要求也比較低，可以很容易的實現(xiàn)升壓。使電路的輸出電壓穩(wěn)定在36V.所以綜合以上考慮最終選擇方案二。2-2-2 PFC控制電路選擇方案1：無源功率補償法，其基本原理是把具有容性功率負載的裝置與感性功率負荷裝置并聯(lián)在同一個電路中，當容性負荷釋放能量時，感性負荷吸收能量，而當感性負荷釋放能量時，容性負荷吸收能量。能量在兩種負荷中交換，感性負荷所吸收的無源功率可從容性負荷輸出的無功功率中得到補償。一般才去的方法

6、是并聯(lián)電容法，但是由于無源功率補償其功率因數(shù)一般達到70左右,不具有良好的補償性.方案2：有源功率因數(shù)校正,目的在于改善電源輸入功率因數(shù),減小輸入電流諧波.采用一級PFC技術(shù),即將PFC級與DC/DC級輸入的預(yù)穩(wěn)，實現(xiàn)統(tǒng)一控制，采用TI的UCC28019，該芯片通過雙閉環(huán)完成調(diào)制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，在連續(xù)電感電流的條件下使平均輸入電流跟蹤正弦是輸出電壓成正弦波。系統(tǒng)電壓可由該芯片的VSENSE腳的輸入電壓與芯片內(nèi)部+5v的基準電壓決定，實際應(yīng)用中可以通過調(diào)節(jié)反饋回該引腳的電壓即可實現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字調(diào)節(jié)。 綜合以上考慮選擇方案二2-2-3 過流保護方案1：采用2.5A的自恢復(fù)保險絲，方案簡單易行，滿

7、足系統(tǒng)要求。方案2：采用單片機控制繼電器達到過流保護的目的，單片機通過片內(nèi)AD采集系統(tǒng)輸出電流，電流超過設(shè)定值時，單片機通過I/O口給繼電器一個高電平使繼電器跳閘電路斷開，從而起到保護電路的目的，這種方法可以有很強的使用性可以滿足系統(tǒng)的動作電流從2.3A到2.7A,動作電流范圍廣。 綜合以上考慮選擇方案二3.單元模塊設(shè)計3-1功率因數(shù)校正電路 圖3-1根據(jù)UCC28019芯片工作原理可知，其輸出的PWM波占空比是根據(jù)電壓環(huán)路的反饋電壓輸入到VSENSE腳與+5V基準電壓比較，經(jīng)差分放大后改變PWM斜坡的斜率進行調(diào)節(jié)，則可知系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)時該引腳的電壓一定是5V,根據(jù)該特性可以利用電阻的分壓比，利

8、用D/A轉(zhuǎn)換，通過設(shè)定最低的電壓來控制最終的輸出。3-2功率因數(shù)測量電路 圖3-2 采用相位差測量法，利用電壓電流互感器分別對電壓電流信號進行提取，然后用精密儀表放大器INA118對電壓電流放大指飽和，經(jīng)TLC372整形后，測出相位差。 3-3主電路及參數(shù)計算 圖3-3系統(tǒng)主電路包括采用BOOST電路，在Usmin=20v,Uomax=36V,Iomax=2A時，Pomax=Iomax*Uomax=72w.取輸入功率Pimax=80w,Imax=Pmax/Umin=4A,由此我們的橋堆選擇4A耐壓600V.完全符合系統(tǒng)要求3-3-1 開關(guān)場效應(yīng)管及肖特基二極管的選擇在MOS管導(dǎo)通時，電流流過M

9、OS管，肖特基二極管承受反向電壓；在MOS管關(guān)斷時, 電流流過MOS管, 肖特基二極管承受正向電壓?？紤]到系統(tǒng)開啟等一系列動作帶來的沖擊效應(yīng)，二者應(yīng)該滿足Idmax>16A;Udss(Umm)>72v;IRF540的Idmax=28A,Udss=100v,可以滿足系統(tǒng)要求。3-3-2 電感參數(shù)計算由公式 脈動電流與平均電流之比取0.25，開關(guān)頻率65KHZ，輸出電壓36V，則最終電感可取200uH。3-3-3電容參數(shù)計算o為負載電壓變化量，取值20mV. f=654KHz, o=36v,則可取Cb=1200uF，可以利用多個低ESR的電解電容并聯(lián)得到。為增強高頻響應(yīng)，可以采用輸出端

10、并聯(lián)多個無極性的吸收電容減少毛刺.4軟件設(shè)計 軟件流程圖 圖4-15 數(shù)據(jù)測試測試儀器15MHz函數(shù)信號發(fā)生器 型號Agilent33128A,數(shù)字示波器 雙通道 60Mhz 型號Tektronix TDS 1002萬用表 型號Fluke17B表5-1負載變化時電源參數(shù)及PFC負載/預(yù)置輸出電壓/V實際輸出電壓/V輸出電流/APFC453635.70.790.99403635.90.890.98353636.11.020.95303635.81.190.96253636.01.440.97203635.951.790.98153635.92.20.99表5-2負載調(diào)整率輸出電流值/A00.20

11、.50.81.01.52.5輸出電壓值/A36.0436.0236.0136.0035.5935.5635.55由負載調(diào)整率計算公式Si=（36.04-35.55）/36=0.25表5-3電壓調(diào)整率輸出電流值/A20222425262830輸出電壓值/A36.0536.0236.0836.0036.036.0736.09由電壓調(diào)整率計算公式Su=（36.09-36.05）/36=0.126系統(tǒng)方案結(jié)果分析與總結(jié)通過對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，由于系統(tǒng)采用數(shù)字閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，經(jīng)過實時采樣使負載調(diào)整率和電壓調(diào)整率達到很高的穩(wěn)定度。功率因數(shù)由于采用UCC28019跟蹤電壓式調(diào)節(jié)，使輸入電壓電流相位差很小，功

12、率因數(shù)可以達到99。但是由于Boost主拓撲結(jié)構(gòu)的特點，其輸出紋波較大。所以最終的輸出紋波只能控制在400mV以內(nèi)。系統(tǒng)還可以添加溫度檢測電路防雷及采用輔助電源等附加功能，進一步完善，也可以利用無損吸收回路進一步提高系統(tǒng)的效率。7 參考文獻1陳言俊、王延偉、羅亞非.大學(xué)生創(chuàng)新競賽實戰(zhàn)M.北京航空航天大學(xué)出版社.2009.2高吉祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教材M.電子工業(yè)出版社.2010.3龍威林、楊冠聲、胡山.單片機應(yīng)用入口-AT89S51和AVRM.化學(xué)工業(yè)出版社.2008.4彭偉.單片機C語言程序設(shè)計實例M.電子工業(yè)出版社.2009.8附件附件1 系統(tǒng)電路圖附件2 系統(tǒng)實物圖附3 部

13、分源代碼#include <reg52.H>#include "LCD5510.H"#include "delay.h"#include "other.h"#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*ADC相關(guān)寄存器入口地址*/sbit sw=P27;#define off P2=P2&&0x7fsfr ADC_LOW2 = 0XBE;/*ADC相關(guān)寄存器配置賦值*/#define ADC_P

14、OWER 0x80#define ADC_FLAG 0x10#define ADC_START 0x08#define ADC_SPEEDLL 0x00#define ADC_SPEEDL 0x20#define ADC_SPEEDH 0x40#define ADC_SPEEDHH 0x60#define ADC_CHS 0X00#define uchar unsigned char#define uint unsigned inttypedef unsigned char BYTE;typedef unsigned int WORD; sbit PWMJA = P30;sbit PWMJIA

15、 = P31;sfr PCAPWM0 = 0xF2; /PCA模塊PWM寄存器PCAPWM0/1;sfr PCAPWM1 = 0xF3;/定義DA位uint dingshiqi;void InitADC();void getAD(char ch) ADC_CONTR = ADC_POWER|ADC_SPEEDHH|ADC_START|ch;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);ADC_CONTR&=ADC_FLAG;void display_da_ch(char ch)/電壓數(shù)值顯示函數(shù)getAD

16、(0); Print_voltage(ADC_RES,ch); ADC_RES=0;void PAC_PWM() /設(shè)置PWM0固定占空比 PWM1可變占空比CCON =0;CMOD =0x02;CL =0x00;CH =0x00;CCAPM0=0x4D;CCAP0L=0x00;CCAP0H=0x00;CCAPM1=0x42;CCAP1L=135;CCAP1H=135;CR =1;/*-*/主函數(shù)void PID() uint t; getAD(0); t=ADC_RES; if(t<180) CCAP1L+=1; CCAP1H+=1; if(t<189)&(t>=180) CCAP1L+=1; CCAP1H+=1; delays(); while(t>188)&(t<192) ) getAD(0); t=ADC_RES;delays(); if (t>192)&(t<=199) CCAP1L-=1; CCAP1H-=1; delays(); if(t>199) CCAP1L-=1; CCAP1H-=