单相AC-DC变换电路

1单相AC-DC变换电路摘要本设计利用BOOST型PWM全桥整流电路和BUCK型DC-DC电路两级电路实现将20V-30V的交流电压变换成36V的直流稳压输出，并实现对交流输入端的功率因数校正和能够根据设定调整功率因数。其中，对于前级升压整流电路是利用输入电压过零比较器、前级输出电压和交流输入电流的双闭环PID控制来产生合适的SPWM驱动波形控制两桥臂的低管，从而实现对交流输入电流波形的正弦化、提高功率因数以及升压的目的。另外，通过过零比较器以及单片机程序控制产生相应的PWM波形来控制两桥臂的高管从而产生预先设定的相移，实现功率因数的准确调整。而后级BUCK电路则是通过简单的电压闭环控制实现输出直流电压稳压。此外，本设计还带有液晶显示，按键模块，功率因数测量等功能。关键字：PFC、BOOST、PWM全桥整流2目录摘要…………………………………………………………………………………1一、方案论证与比较………………………………………………………………31.1AC-DC和功率因数校正方案比较……………………………………………31.2单片机选型……………………………………………………………………31.3电流采样电路方案比较………………………………………………………4二、理论分析与计算………………………………………………………………42.1提高效率的方法………………………………………………………………42.2功率因数调整方法……………………………………………………………52.3稳压控制方法…………………………………………………………………5三、电路与程序设计………………………………………………………………73.1电路设计………………………………………………………………………73.2程序设计………………………………………………………………………10四、测试方案与测试结果…………………………………………………………104.1测试条件………………………………………………………………………104.2测试数据………………………………………………………………………104.3测试结果分析…………………………………………………………………11五、总结……………………………………………………………………………12六、参考文献………………………………………………………………………12附录…………………………………………………………………………………133IsUo1Uo2Io一、方案论证与比较：1.1AC-DC和功率因数校正方案比较：方案一：交流输入经过不控整流后经BOOST型模拟控制PFC电路（利用UC3854控制）和BUCK电路，达到整流和功率因数校正的目的，控制方式为输入电压为20-25V时，采用BOOST-BUCK两级变换；输入电压为25V-30V时直接将BOOST设置为直通，只用BUCK电路控制。此方案的优点是控制简单，调试简易，但缺点是效率低，灵活性差，不能实现对功率因数的调整。方案二：利用BOOST型PWM全桥整流电路和BUCK电路两级电路实现AC-DC变换，并实现对交流输入端的功率因数校正和能够根据设定调整功率因数。其中，对于前级升压整流电路是利用输入电压过零比较器、前级输出电压和交流输入电流的双闭环PID控制来产生合适的SPWM驱动波形控制两桥臂的开关管，从而实现对交流输入电流波形的正弦化、提高和调整功率因数以及升压的目的。此方案控制灵活，能够实现功率因数校正和调整，且效率较高，符合本题目要求。因此本设计采用了方案二。1.2单片机选型微控制器运算能力对系统性能有关键影响，方案评估如下：方案一：采用PIC16F877A，该单片机为Microchip八位单片机，性价比高，但由于无硬件乘法器，运算速度较慢，很难满足该系统高性能数字控制要求。BOOST型PWM整流电路UsBUCK电路驱动电路采样电路采样电路单片机DSPIC33F4方案二：采用dsPIC33FJ16GS，该单片机嵌入DSP引擎，具有一个高速的硬件乘法器，拥有数字信号处理器的计算能力和数据吞吐能力，指令执行速度可达30MIPS，且性价比高，适合作为该系统的核心控制器件。鉴于上述分析，选用方案二。1.3电流采样电路方案比较：方案一：采用带偏置电压的差分放大电路对采样电阻两端电压进行采样，此方案电路结构清晰，缺点在于对外围元件的精度要求高，实际调试过程中，信号容易受地线干扰，通过PCB合理的布局跟软件的滤波处理，能解决干扰的问题。另外，当电流量程较大时，需要做两级甚至两级以上的处理。方案二：采用ACS712霍尔电流传感器对输入输出电流进行采样，霍尔电流传感器本身带有2.5V的直流电压偏置，并兼具良好的线性测量能力和抗干扰能力。由于交流电流采样是本设计控制的核心之一，因此本设计采用了此方案。二、理论分析与计算：2.1提高效率的方法本设计电路的主要损耗有功率开关器件导通电阻和开关损耗、滤波电感和电容的损耗。为提高系统效率，本系统采取选择合适的开关频率（40KHZ），性能优越的开关器件IRF640（通态电阻小、开关时间短）,选取较大的滤波电感以减小电流纹波以及在开关器件两端设置吸收电路和反并联肖特基二极管。此外，利用较粗的线绕制电感也可以减少电流损耗提高效率。2.2功率因数调整方法若要调节输入功率因数不等于1，则将两只低管的PWM波形向后延迟相应的相角，同时在移相范围内使相应的高管导通。52.3稳压控制方法本设计有两级直流输出电压，其中第一级输出电压由双环PI控制，如上图所示，控制对象为整流桥的输出电压，电压环为外环，电流环为内环。电压环的功能是稳定整流器的输出电压，电流环的功能是使输入电流能够跟踪正弦表的值进行变化。通过PI参数的整定，基本实现了PWM整流器所应当具有的优异性能。第二级输出电压直接由单环PI控制，将输出电压采样接入单片机2.4参数设计电源交流输入电压频率fo=45~55Hz，PWM整流桥开关频率设为40kHz，滤波器的转折频率一般为(5～10)fo。为减少输出功率的无功分量，滤波电容的电流不大于额定输出电流的1/5。滤波电感采用满载时输入电流Io=3A，则电容电流不能大于0.6A,滤波电容C3为:C3(0.2Io1)/(2πfoUo1)=(0.2*3)/(2*3.14*55*24)=72uF,取0.47uF/250V的CBB电容。2.4.1电感计算输入电感：fs=40kHzVac=24VIac=4APi=100WVdc=48Vk=0.2kw=0.4Jc=500A/cm2Bmax=0.25T电压给定PIUdcIacPIPWM驱动电路正弦表6BUCK电感：Vo=36V7三、电路与程序设计：3.1电路设计：主电路：上图为本设计的主电路原理图，将电网220V交流电经隔离变压器与自耦变压器降压得到的交流有效值为20V~30V的交流电压作为输入电压，AC-DC变换器分两级电路，前级电路为PWM全控整流器，将交流输入整流并升压至48VDC左右；后级为BUCK电路，将48VDC降压至36VDC。输入与输出电流采样皆采用霍尔传感器进行采样。主电路中开关器件选用英飞凌IPP045N10N3G功率场效应管（耐压100V、通态电阻4.5毫欧），这种开关管通态电阻为4.5毫欧，损耗小。8为了进一步提高效率，在PWM整流电路中，每个开关管两端都反并联一个B20200G肖特基二极管（耐压200V、额定电流20A）。BUCK电路的二极管采用STPS8H100F（耐压100V、压降0.58V、额定电流8A），通流能力强。驱动电路：上图为驱动电路，采用3片英飞凌2ED020I06驱动芯片控制主电路5个开关管。辅助电源电路：上图为辅助电源电路，通过利用电源模块将电网220V交流电压变换成15V直流电压，再分别通过LM2576-5、LM1117-3.3和TL431得到5V、3.3V、2.5V的直流电压，用于芯片供电。控制电路：9上图为电压过零比较电路，将交流输入电压接入，通过两级运放，产生对应的方波信号接到单片机的I/O口，由此来对整流器件进行准确控制。上图为电流采样的滤波和放大电路，将霍尔传感器的输出电压接入，经过修改偏置电压，将信号缩小，然后接到单片机的A/D转换引脚。上面两图分别为输入交流电压和输出直流电压的采样电路，分别将输入电压和输出电压接入采样电路，缩小150倍，再接到单片机的A/D转换引脚。最小系统和显示模块：10单片机采用DSPIC33F，同时设有复位电路和在线烧写座，同时单片机还连接一个液晶显示模块用于显示各个参数。3.2程序设计：主程序流程图如右图。程序设计思想：为节约dsPIC33FJ16GS的CPU资源，将显示部分功能放在主程序中，而将PWM输出改变程序、采样程序设置中断，在相应中断子程序中进行相应的处理。具体程序见附录。四、测试方案与测试结果：4.1测试条件：如上图接线所示，分别在输入端和输出端分别接入两个表测量US、Is、Uo、Io四个量。测量仪器：万用表：胜利牌VC890C系列四个、隔离变压器、自耦变压器、划线变阻器（50欧/2A）、DSO-X3012A示波器4.2测试数据1）电压稳定性的测试电压调整率的测试：输出电流Io=2A，输入电压Us在20~30内变化时的输出电压Uo电压调整率SI=|36.07-36.04|/36=0.08%，满足要求。输入电压有效值Us（V）输出电流Io（A）输出电压Uo（V）20.532.0036.0423.962.0035.9530.002.0036.0711负载调整率的测试：输入电压Us=24V，输出电流Io=在0.2~2.0A内变化时的输出电压Uo负载调整率SI=|36.02-36.04|/36.04=0.05%，满足要求。输入电压有效值Us（V）输出电流Io（A）输出电压Uo（V）24.730.2736.0424.510.5135.9424.170.9936.0523.961.5136.0823.602.0036.022）功率因数的测试：输入电压Us=24V，输出电流Io在0.2~2.0A内变化时的功率因数输入电压有效值Us（V）输出电流（A）功率因数24.010.9970.99324.001.5120.99624.002.0830.9983）效率的测试输出电流Io=2A，输入电压Us=24V时的效率输入电压有效值Us（V）输入电流有效值Is（A）输出电压Uo（V）输出电流Io（A）效率（%）21.454.2536.012.0179.3923.963.6536.032.0182.8129.972.7936.042.0186.634）过流保护功能：当负载电流达到2.37A时，关闭驱动，实现过流保护功能，排除故障后用按键重新启动电路。4.3测试结果分析通过测试，本设计完成了一下功能：1、输出36V直流电压稳压；2、负载调整率和电压调整率都低于0.5%；3、轻载到重载时功率因数始终大于0.98；4、具有过流保护功能，保护动作值2.37A；5、具有功率因数测量和显示功能。由于功率因数调整功能调节难度较大，本设计未能完成；由于器件的选型问题，本设计效率不高。12五、总结本设计作品性能良好，能满足大部分所要求的性能指标和功能，其中，利用PWM整流电路代替传统的不控整流加模拟控制PFC，功率因数调整效果更好，调节更灵活。在设计制作过程中，我们也遇到了许多问题：1、由于布线的问题，导致交流电流采样出现波形采样失真，使得PWM整流器工作不正常。我们通过重新布线与制作电流采样模块已得到解决。2、在程序调试过程中，我们发现只调节后级BUCK电路的电压环无法稳定输出电压，于是我们我们加入了电压前馈，并得到解决。作品自我评价：优点：输出稳压精度高；输入端功率因数可达0.98以上；负载调整率和电源调整率都很低；此外还具有过流保护、功率因数测量并显示等功能。缺点：根据设定调整功率因数难度较大，目前还无法完善；电路损耗较大，效率不高；过流保护精度不高。六、参考文献1.何礼高.dsPIC30F电机与电源系列数字信号控制器原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版