单相AC-DC变换电路(A)要点.pdf
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1、全国大学生电子设计竟赛 队员:尹星 张柯卢文俊 竞赛题号 :(A题) 竞赛队号: 20130207 单相 AC-DC变换电路( A题) (本科组) 摘要 本系统以 STC12C5A60S2 单片机最小系统为控制核心, 辅以 boost 升压电 路、功率因数校正电路和功率因数测量电路等组成。该设计利用IR2104 驱动 IRF540,单片机产 PWM 波控制 IRF540 通断,通过升降压以及反馈控制使输出 电压稳定在 36V.通过 UCC28019 实现对功率因素的校正,利用TLC372外围电 路实现对功率因数的测量。 该系统实现了电压的高效率转换,使电压传送损耗 更小,更加节能。 功率因数是
2、评价电力设备和仪器性能的重要指标,由于电力 电子装置的应用日益广泛,给当前的电网电压,电能带来了严重的质量问题。 本系统采用有源功率因数校正(APFC )方法,减小了谐波失真。具有良好的电 压调整率和负载调整率 , 输入电流波形失真度小! 目录 1. 引言 1 2. 设计方案与论证 1 2-1. 系统总体方案 . 1 2-2 方案论证 1 2-2-1 升降压电路的选择 1 2-2-2 PFC 控制电路选择 . 2 2-2-3 过流保护 2 3. 单元模块设计 3 3-1 功率因数校正电路 3 3-2 功率因数测量电路 3 3-3 主电路及参数计算 4 3-3-1 开关场效应管及肖特基二极管的选
3、择 4 3-3-2 电感参数计算 4 3-3-3 电容参数计算 . 4 4 软件设计 . 5 5 数据测试 6 6 系统方案结果分析与总结. 6 7 附件. 7 附件 1 系统电路图 7 附件 2 系统实物图 8 附件 3 部分源代码 9 1. 引言 PFC意思是“功率因数校正” ,功率因数指的是有效功率与总耗电量(视 在功率)之间的关系, 也就是有效功率除以视在功率的比值。基本上功率因素 可以衡量电力被有效利用的程度,当功率因素值越大, 代表其电力利用率越高, 本系统采用 TI 公司的 PFC控制芯片 UCC28019 为核心的功率因数校正的基本原 理和实现方法。系统主要由取样电路、功率因数
4、校正以及控制和显示电路几个 模块组成。该设计的特点在于首先通过监测电路对电路进行监测, 然后根据监测 结果, 运用控制电路来调节PFC 控制芯片 UCC28019 的电压误差放大器大小 , 从而 稳定输出设定电压 , 通过调节电流误差放大器的输入来提高电源功率因数。实践 证明采用 APFC 后, 输出电压纹波大大降低,实现了功率因数校正。 2. 设计方案与论证 2-1. 系统总体方案 图 2-1 2-2 方案论证 2-2-1 升降压电路的选择 方案 1:采用 BUCK 电路与 Boost 电路相结合的的组合电路,由单片机经 继电器控制需要选择的电路模式,交流电压AC 24V经桥堆后电压会变成大
5、于 24V的 DC.系统要求输出电压稳定在36V,此时单片机片经由AD采集转换判断 经桥堆后的的电压是大于36V还是小于 36V,当小于 36V时单片机通过继电器 选择 boost 升压电路,反之选择buck 电路。 方案 2:直接使用 BOOST 升压电路可以通过开关管IRF540 调节输出的电 压,开关管受 AVR单片机产生的 PWM 波经由 IR2104 驱动 IRF540 的通断,输出 电压 Uo=Uin*(D/(1-D)公式中 D为 PWMD 的占空比,这种方案简单易行容易上 手。 比较以上两个方案,方案二虽然简单易行对于软件的要求也比较低,可 以很容易的实现升压。使电路的输出电压稳
6、定在36V.所以综合以上考虑最终选 择方案二。 2-2-2 PFC 控制电路选择 方案 1:无源功率补偿法,其基本原理是把具有容性功率负载的装置与感性功 率负荷装置并联在同一个电路中,当容性负荷释放能量时, 感性负荷吸收能量, 而当感性负荷释放能量时,容性负荷吸收能量。能量在两种负荷中交换,感性 负荷所吸收的无源功率可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿。一般才去的 方法是并联电容法,但是由于无源功率补偿其功率因数一般达到70左右 , 不 具有良好的补偿性 . 方案 2:有源功率因数校正 , 目的在于改善电源输入功率因数, 减小输入电流谐 波. 采用一级 PFC技术, 即将 PFC级与 DC/D
7、C 级输入的预稳,实现统一控制,采 用 TI 的 UCC28019 ,该芯片通过双闭环完成调制,内环为电流环,在连续电感 电流的条件下使平均输入电流跟踪正弦是输出电压成正弦波。系统电压可由该 芯片的 VSENSE 脚的输入电压与芯片内部 +5v 的基准电压决定,实际应用中可以 通过调节反馈回该引脚的电压即可实现输出电压的数字调节。 综合以上考虑选择方案二 2-2-3 过流保护 方案 1:采用 2.5A 的自恢复保险丝,方案简单易行,满足系统要求。 方案 2:采用单片机控制继电器达到过流保护的目的,单片机通过片内AD采集 系统输出电流,电流超过设定值时,单片机通过I/O 口给继电器一个高电平使
8、继电器跳闸电路断开,从而起到保护电路的目的,这种方法可以有很强的使用 性可以满足系统的动作电流从2.3A 到 2.7A, 动作电流范围广。 综合以上考虑选择方案二 3. 单元模块设计 3-1 功率因数校正电路 图 3-1 根据 UCC28019 芯片工作原理可知, 其输出的 PWM 波占空比是根据电压环路的反 馈电压输入到 VSENSE 脚与+5V基准电压比较,经差分放大后改变PWM 斜坡的斜 率进行调节,则可知系统稳定状态时该引脚的电压一定是5V,根据该特性可以 利用电阻的分压比,利用D/A转换,通过设定最低的电压来控制最终的输出。 3-2 功率因数测量电路 图 3-2 采用相位差测量法,利
9、用电压电流互感器分别对电压电流信号进行提取,然后 用精密仪表放大器INA118对电压电流放大指饱和,经TLC372整形后,测出相 位差。 3-3 主电路及参数计算 图 3-3 系统主电路包括采用BOOST 电路,在Usmin=20v, Uomax=36V, I omax=2A时, Pomax= I omax*Uomax=72w. 取输入功率 Pimax=80w,I max= Pmax/U min=4A, 由此我们的桥堆选择4A耐压 600V.完全符合系统要求 3-3-1 开关场效应管及肖特基二极管的选择 在 MOS 管导通时,电流流过MOS 管,肖特基二极管承受反向电压;在MOS 管关 断时,
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