單相AC-DC變換電路

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上單相AC-DC變換電路摘要 本設(shè)計利用BOOST型PWM全橋整流電路和BUCK型DC-DC電路兩級電路實現(xiàn)將20V-30V的交流電壓變換成36V的直流穩(wěn)壓輸出，并實現(xiàn)對交流輸入端的功率因數(shù)校正和能夠根據(jù)設(shè)定調(diào)整功率因數(shù)。其中，對于前級升壓整流電路是利用輸入電壓過零比較器、前級輸出電壓和交流輸入電流的雙閉環(huán)PID控制來產(chǎn)生合適的SPWM驅(qū)動波形控制兩橋臂的低管，從而實現(xiàn)對交流輸入電流波形的正弦化、提高功率因數(shù)以及升壓的目的。另外，通過過零比較器以及單片機(jī)程序控制產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形來控制兩橋臂的高管從而產(chǎn)生預(yù)先設(shè)定的相移，實現(xiàn)功率因數(shù)的準(zhǔn)確調(diào)整。而后級BUCK電路則是通

2、過簡單的電壓閉環(huán)控制實現(xiàn)輸出直流電壓穩(wěn)壓。此外，本設(shè)計還帶有液晶顯示，按鍵模塊，功率因數(shù)測量等功能。關(guān)鍵字：PFC、BOOST、PWM全橋整流目 錄摘要 1一、方案論證與比較 3 1.1 AC-DC和功率因數(shù)校正方案比較 3 1.2 單片機(jī)選型3 1.3 電流采樣電路方案比較4二、理論分析與計算 4 2.1 提高效率的方法4 2.2 功率因數(shù)調(diào)整方法5 2.3 穩(wěn)壓控制方法5三、電路與程序設(shè)計 7 3.1 電路設(shè)計7 3.2 程序設(shè)計10四、測試方案與測試結(jié)果 10 4.1 測試條件10 4.2 測試數(shù)據(jù)10 4.3 測試結(jié)果分析11五、總結(jié) 12六、參考文獻(xiàn) 12附錄13一、方案論證與比較：

3、1.1 AC-DC和功率因數(shù)校正方案比較：方案一：交流輸入經(jīng)過不控整流后經(jīng)BOOST型模擬控制PFC電路（利用UC3854控制）和BUCK電路，達(dá)到整流和功率因數(shù)校正的目的，控制方式為輸入電壓為20-25V時，采用BOOST-BUCK兩級變換；輸入電壓為25V-30V時直接將BOOST設(shè)置為直通，只用BUCK電路控制。此方案的優(yōu)點是控制簡單，調(diào)試簡易，但缺點是效率低，靈活性差，不能實現(xiàn)對功率因數(shù)的調(diào)整。方案二：利用BOOST型PWM全橋整流電路和BUCK電路兩級電路實現(xiàn)AC-DC變換，并實現(xiàn)對交流輸入端的功率因數(shù)校正和能夠根據(jù)設(shè)定調(diào)整功率因數(shù)。其中，對于前級升壓整流電路是利用輸入電壓過零比較器

4、、前級輸出電壓和交流輸入電流的雙閉環(huán)PID控制來產(chǎn)生合適的SPWM驅(qū)動波形控制兩橋臂的開關(guān)管，從而實現(xiàn)對交流輸入電流波形的正弦化、提高和調(diào)整功率因數(shù)以及升壓的目的。此方案控制靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)校正和調(diào)整，且效率較高，符合本題目要求。因此本設(shè)計采用了方案二。IoIsUo1BUCK電路BOOST型PWM整流電路Uo2Us采樣電路采樣電路驅(qū)動電路單片機(jī)DSPIC33F1.2 單片機(jī)選型微控制器運算能力對系統(tǒng)性能有關(guān)鍵影響，方案評估如下：方案一：采用PIC16F877A，該單片機(jī)為Microchip八位單片機(jī)，性價比高，但由于無硬件乘法器，運算速度較慢，很難滿足該系統(tǒng)高性能數(shù)字控制要求。方案二：采

5、用dsPIC33FJ16GS，該單片機(jī)嵌入DSP引擎，具有一個高速的硬件乘法器，擁有數(shù)字信號處理器的計算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，指令執(zhí)行速度可達(dá)30MIPS，且性價比高，適合作為該系統(tǒng)的核心控制器件。 鑒于上述分析，選用方案二。1.3 電流采樣電路方案比較：方案一：采用帶偏置電壓的差分放大電路對采樣電阻兩端電壓進(jìn)行采樣，此方案電路結(jié)構(gòu)清晰，缺點在于對外圍元件的精度要求高，實際調(diào)試過程中，信號容易受地線干擾，通過PCB合理的布局跟軟件的濾波處理，能解決干擾的問題。另外，當(dāng)電流量程較大時，需要做兩級甚至兩級以上的處理。方案二：采用ACS712霍爾電流傳感器對輸入輸出電流進(jìn)行采樣，霍爾電流傳感器本身帶有

6、2.5V的直流電壓偏置，并兼具良好的線性測量能力和抗干擾能力。由于交流電流采樣是本設(shè)計控制的核心之一，因此本設(shè)計采用了此方案。二、 理論分析與計算：2.1 提高效率的方法本設(shè)計電路的主要損耗有功率開關(guān)器件導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗、濾波電感和電容的損耗。為提高系統(tǒng)效率，本系統(tǒng)采取選擇合適的開關(guān)頻率（40KHZ），性能優(yōu)越的開關(guān)器件IRF640（通態(tài)電阻小、開關(guān)時間短）,選取較大的濾波電感以減小電流紋波以及在開關(guān)器件兩端設(shè)置吸收電路和反并聯(lián)肖特基二極管。此外，利用較粗的線繞制電感也可以減少電流損耗提高效率。2.2 功率因數(shù)調(diào)整方法若要調(diào)節(jié)輸入功率因數(shù)不等于1，則將兩只低管的PWM波形向后延遲相應(yīng)的相角，

7、同時在移相范圍內(nèi)使相應(yīng)的高管導(dǎo)通。2.3穩(wěn)壓控制方法正弦表驅(qū)動電路電壓給定PWMPIPIIacUdc本設(shè)計有兩級直流輸出電壓，其中第一級輸出電壓由雙環(huán)PI控制，如上圖所示，控制對象為整流橋的輸出電壓，電壓環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。電壓環(huán)的功能是穩(wěn)定整流器的輸出電壓，電流環(huán)的功能是使輸入電流能夠跟蹤正弦表的值進(jìn)行變化。通過PI參數(shù)的整定，基本實現(xiàn)了PWM整流器所應(yīng)當(dāng)具有的優(yōu)異性能。第二級輸出電壓直接由單環(huán)PI控制，將輸出電壓采樣接入單片機(jī)2.4參數(shù)設(shè)計電源交流輸入電壓頻率fo=4555Hz，PWM整流橋開關(guān)頻率設(shè)為40kHz，濾波器的轉(zhuǎn)折頻率一般為(510) fo。為減少輸出功率的無功分量，濾波電

8、容的電流不大于額定輸出電流的1/5。濾波電感采用滿載時輸入電流Io=3A，則電容電流不能大于0.6A,濾波電容C3為:C3< (0.2Io1)/(2foUo1)=(0.2*3)/(2*3.14*55*24)=72uF,取0.47uF/250V的CBB電容。2.4.1 電感計算 輸入電感：fs=40kHz Vac=24V Iac=4A Pi=100W Vdc=48Vk=0.2 kw=0.4 Jc=500A/cm2 Bmax=0.25TBUCK電感： Vo=36V三、電路與程序設(shè)計：3.1 電路設(shè)計：主電路：上圖為本設(shè)計的主電路原理圖，將電網(wǎng)220V交流電經(jīng)隔離變壓器與自耦變壓器降壓得到的交

9、流有效值為20V30V的交流電壓作為輸入電壓，AC-DC變換器分兩級電路，前級電路為PWM全控整流器，將交流輸入整流并升壓至48VDC左右；后級為BUCK電路，將48VDC降壓至36VDC。輸入與輸出電流采樣皆采用霍爾傳感器進(jìn)行采樣。主電路中開關(guān)器件選用英飛凌IPP045N10N3 G 功率場效應(yīng)管（耐壓100V、通態(tài)電阻4.5毫歐），這種開關(guān)管通態(tài)電阻為4.5毫歐，損耗小。為了進(jìn)一步提高效率，在PWM整流電路中，每個開關(guān)管兩端都反并聯(lián)一個B20200G肖特基二極管（耐壓200V、額定電流20A）。BUCK電路的二極管采用STPS8H100F（耐壓100V、壓降0.58V、額定電流8A），通流

10、能力強。驅(qū)動電路：上圖為驅(qū)動電路，采用3片英飛凌2ED020I06驅(qū)動芯片控制主電路5個開關(guān)管。輔助電源電路：上圖為輔助電源電路，通過利用電源模塊將電網(wǎng)220V交流電壓變換成15V直流電壓，再分別通過LM2576-5、LM1117-3.3和TL431得到5V、3.3V、2.5V的直流電壓，用于芯片供電。控制電路： 上圖為電壓過零比較電路，將交流輸入電壓接入，通過兩級運放，產(chǎn)生對應(yīng)的方波信號接到單片機(jī)的I/O口，由此來對整流器件進(jìn)行準(zhǔn)確控制。上圖為電流采樣的濾波和放大電路，將霍爾傳感器的輸出電壓接入，經(jīng)過修改偏置電壓，將信號縮小，然后接到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換引腳。上面兩圖分別為輸入交流電壓和輸出直

11、流電壓的采樣電路，分別將輸入電壓和輸出電壓接入采樣電路，縮小150倍，再接到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換引腳。最小系統(tǒng)和顯示模塊：單片機(jī)采用DSPIC33F，同時設(shè)有復(fù)位電路和在線燒寫座，同時單片機(jī)還連接一個液晶顯示模塊用于顯示各個參數(shù)。3.2 程序設(shè)計： 主程序流程圖如右圖。程序設(shè)計思想：為節(jié)約dsPIC33FJ16GS的CPU資源，將顯示部分功能放在主程序中，而將PWM輸出改變程序、采樣程序設(shè)置中斷，在相應(yīng)中斷子程序中進(jìn)行相應(yīng)的處理。具體程序見附錄。四、測試方案與測試結(jié)果：4.1測試條件：如上圖接線所示，分別在輸入端和輸出端分別接入兩個表測量US、Is、Uo、Io四個量。測量儀器：萬用表：勝利牌VC

12、890C系列四個、隔離變壓器、自耦變壓器、劃線變阻器（50歐/2A）、DSO-X 3012A示波器4.2 測試數(shù)據(jù)1）電壓穩(wěn)定性的測試電壓調(diào)整率的測試：輸出電流Io=2A，輸入電壓Us在2030內(nèi)變化時的輸出電壓Uo 電壓調(diào)整率SI=|36.07-36.04|/36=0.08%，滿足要求。輸入電壓有效值Us（V）輸出電流Io（A）輸出電壓Uo（V）20.532.0036.0423.962.0035.9530.002.0036.07負(fù)載調(diào)整率的測試：輸入電壓Us=24V，輸出電流Io=在0.22.0A內(nèi)變化時的輸出電壓Uo 負(fù)載調(diào)整率SI=|36.02-36.04|/36.04=0.05%，滿足

13、要求。輸入電壓有效值Us（V）輸出電流Io（A）輸出電壓Uo（V）24.730.2736.0424.510.5135.9424.170.9936.0523.961.5136.0823.602.0036.022） 功率因數(shù)的測試：輸入電壓Us=24V，輸出電流Io在0.22.0A內(nèi)變化時的功率因數(shù)輸入電壓有效值Us（V）輸出電流（A）功率因數(shù)24.010.9970.99324.001.5120.99624.002.0830.9983） 效率的測試輸出電流Io=2A，輸入電壓Us=24V時的效率輸入電壓有效值Us（V）輸入電流有效值Is（A）輸出電壓Uo（V）輸出電流Io（A）效率（%）21.45

14、4.2536.012.0179.3923.963.6536.032.0182.8129.972.7936.042.0186.634）過流保護(hù)功能：當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到2.37A時，關(guān)閉驅(qū)動，實現(xiàn)過流保護(hù)功能，排除故障后用按鍵重新啟動電路。4.3測試結(jié)果分析通過測試，本設(shè)計完成了一下功能：1、輸出36V直流電壓穩(wěn)壓； 2、負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率都低于0.5%； 3、輕載到重載時功率因數(shù)始終大于0.98； 4、具有過流保護(hù)功能，保護(hù)動作值2.37A； 5、具有功率因數(shù)測量和顯示功能。 由于功率因數(shù)調(diào)整功能調(diào)節(jié)難度較大，本設(shè)計未能完成；由于器件的選型問題，本設(shè)計效率不高。五、總結(jié)本設(shè)計作品性能良好，能滿足

15、大部分所要求的性能指標(biāo)和功能，其中，利用PWM整流電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不控整流加模擬控制PFC，功率因數(shù)調(diào)整效果更好，調(diào)節(jié)更靈活。在設(shè)計制作過程中，我們也遇到了許多問題：1、由于布線的問題，導(dǎo)致交流電流采樣出現(xiàn)波形采樣失真，使得PWM整流器工作不正常。我們通過重新布線與制作電流采樣模塊已得到解決。2、在程序調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)只調(diào)節(jié)后級BUCK電路的電壓環(huán)無法穩(wěn)定輸出電壓，于是我們我們加入了電壓前饋，并得到解決。作品自我評價：優(yōu)點： 輸出穩(wěn)壓精度高；輸入端功率因數(shù)可達(dá)0.98以上；負(fù)載調(diào)整率和電源調(diào)整率都很低；此外還具有過流保護(hù)、功率因數(shù)測量并顯示等功能。缺點：根據(jù)設(shè)定調(diào)整功率因數(shù)難度較大，目前還無

16、法完善；電路損耗較大，效率不高；過流保護(hù)精度不高。六、參考文獻(xiàn)1.何禮高. dsPIC30F電機(jī)與電源系列數(shù)字信號控制器原理與應(yīng)用M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.2.王兆安，黃 俊.電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.附 錄附錄1單相AC-DC變換器主電路原理圖控制電路原理圖附錄1主要程序清單：#include <p33FJ16GS502.h>#include "Config.h"#include <math.h>#include "dsp.h"#include

17、60;"Variable.h"#include "pid.h"#include "PWM.h"#include "ADC.h"#include "lcd_12864.h"#include "key.h"#include "ic_tmr.h"void Display()LCD_WriteLine(1,"Single Phase");LCD_WriteLine(2,"PWM Rectifier");LCD_WriteLine(3,numToStr(PF);/ LCD_WriteLine(4,"ccc");int main()_IPL=1; /CPU中斷優(yōu)先級為1Corcon_Init();Clock_Init();IC_Init();TMR_Init();PID_Init();Key_Init();LCD_