單相AC-DC變換電路(A)

1、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)竟賽競(jìng)賽隊(duì)號(hào)：20130207隊(duì)員：尹星 張柯 盧文俊競(jìng)賽題號(hào):（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(jī)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(cè)量電路等組成。該設(shè)計(jì)利用IR2104驅(qū)動(dòng)IRF540，單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)功率因素的校正，利用TLC372外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因數(shù)的測(cè)量。該系統(tǒng)實(shí)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(píng)價(jià)電力設(shè)備和儀器性能的重要指標(biāo)，由于電力電子裝置的應(yīng)用

2、日益廣泛，給當(dāng)前的電網(wǎng)電壓，電能帶來了嚴(yán)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(fù)載調(diào)整率,輸入電流波形失真度小！目錄1.引言12.設(shè)計(jì)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(hù)23.單元模塊設(shè)計(jì)33-1功率因數(shù)校正電路33-2功率因數(shù)測(cè)量電路33-3主電路及參數(shù)計(jì)算43-3-1 開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管及肖特基二極管的選擇43-3-2 電感參數(shù)計(jì)算43-3-3電容參數(shù)計(jì)算44軟件設(shè)計(jì)55 數(shù)據(jù)測(cè)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(shí)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(dāng)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(shí)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(gè)模塊組成。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于首先通過監(jiān)測(cè)電路對(duì)電路進(jìn)行監(jiān)測(cè),然后根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,運(yùn)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(shí)踐證明采用APFC后,輸出電壓紋波大大降低，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。2.設(shè)計(jì)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(jī)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(huì)變成大于24V的DC.系統(tǒng)要求輸出電壓穩(wěn)定在36V,此時(shí)單片機(jī)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(dāng)小于36V時(shí)單片機(jī)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(jī)

5、產(chǎn)生的PWM波經(jīng)由IR2104驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單易行容易上手。 比較以上兩個(gè)方案，方案二雖然簡(jiǎn)單易行對(duì)于軟件的要求也比較低，可以很容易的實(shí)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(bǔ)償法，其基本原理是把具有容性功率負(fù)載的裝置與感性功率負(fù)荷裝置并聯(lián)在同一個(gè)電路中，當(dāng)容性負(fù)荷釋放能量時(shí)，感性負(fù)荷吸收能量，而當(dāng)感性負(fù)荷釋放能量時(shí)，容性負(fù)荷吸收能量。能量在兩種負(fù)荷中交換，感性負(fù)荷所吸收的無源功率可從容性負(fù)荷輸出的無功功率中得到補(bǔ)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(bǔ)償其功率因數(shù)一般達(dá)到70左右,不具有良好的補(bǔ)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(jí)PFC技術(shù),即將PFC級(jí)與DC/DC級(jí)輸入的預(yù)穩(wěn)，實(shí)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(zhǔn)電壓決定，實(shí)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(shí)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(hù)方案1：采用2.5A的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，方案簡(jiǎn)單易行，滿

7、足系統(tǒng)要求。方案2：采用單片機(jī)控制繼電器達(dá)到過流保護(hù)的目的，單片機(jī)通過片內(nèi)AD采集系統(tǒng)輸出電流，電流超過設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)通過I/O口給繼電器一個(gè)高電平使繼電器跳閘電路斷開，從而起到保護(hù)電路的目的，這種方法可以有很強(qiáng)的使用性可以滿足系統(tǒng)的動(dòng)作電流從2.3A到2.7A,動(dòng)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(jì)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(zhǔn)電壓比較，經(jīng)差分放大后改變PWM斜坡的斜率進(jìn)行調(diào)節(jié)，則可知系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)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(cè)量電路 圖3-2 采用相位差測(cè)量法，利用電壓電流互感器分別對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行提取，然后用精密儀表放大器INA118對(duì)電壓電流放大指飽和，經(jīng)TLC372整形后，測(cè)出相位差。 3-3主電路及參數(shù)計(jì)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(shí)，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(chǎng)效應(yīng)管及肖特基二極管的選擇在MOS管導(dǎo)通時(shí)，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(shí), 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(dòng)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(jì)算由公式 脈動(dòng)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(jì)算o為負(fù)載電壓變化量，取值20mV. f=654KHz, o=36v,則可取Cb=1200uF，可以利用多個(gè)低ESR的電解電容并聯(lián)得到。為增強(qiáng)高頻響應(yīng)，可以采用輸出端

10、并聯(lián)多個(gè)無極性的吸收電容減少毛刺.4軟件設(shè)計(jì) 軟件流程圖 圖4-15 數(shù)據(jù)測(cè)試測(cè)試儀器15MHz函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 型號(hào)Agilent33128A,數(shù)字示波器 雙通道 60Mhz 型號(hào)Tektronix TDS 1002萬用表 型號(hào)Fluke17B表5-1負(fù)載變化時(shí)電源參數(shù)及PFC負(fù)載/預(yù)置輸出電壓/V實(shí)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(fù)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(fù)載調(diào)整率計(jì)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(jì)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(duì)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(shí)時(shí)采樣使負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率達(dá)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(dá)到99。但是由于Boost主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，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(cè)電路防雷及采用輔助電源等附加功能，進(jìn)一步完善，也可以利用無損吸收回路進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率。7 參考文獻(xiàn)1陳言俊、王延偉、羅亞非.大學(xué)生創(chuàng)新競(jìng)賽實(shí)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(jì)競(jìng)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(jī)應(yīng)用入口-AT89S51和AVRM.化學(xué)工業(yè)出版社.2008.4彭偉.單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)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-=