单相ACDC变换电路定稿

1、2013年全国大学生电子设计竞赛单相 AC-DC 变换电路（A题）【本科组】参赛队号：20130241 2013年9月7日I单相 AC-DC 变换电路摘要本设计旨在完成一种宽泛交流输入（20V-30V），恒压直流（36V）输出的交直流变换电路，设计难点在于一般的升降压芯片都无法在20V-30V交流调节下正常的输出稳定直流36V，而且一般的集成电路芯片虽然易于构建硬件控制电路，但其内部电路固化，采样反馈信号与调节控制信号由内部电路自主完成，自主搭建的功率因数测量电路根本无法与芯片集成的PFC控制电路相结合，使得功率因数测量电路与控制电路相脱离，为了实现功率因数测量、显示及自主控制的一体化工作，本

2、设计没有采用使用集成芯片去完成AC-DC变化电路，而是自主搭建了开关电源BOOST电路，既可有效完成AC-DC的变换，又可避开一般升降压的集成芯片的窄输入电压问题，实现在交流输入20V-30V宽范围内的一次性变换，同时亦可通过控制PWM波的开关频率及脉宽，实现对后级电路功率因数的有源补偿。本系统主要由AC-AC,AC-DC,恒流转恒压电路，功率因数检测控制电路四个核心模块构成，系统由高性能单片机ADUC845完成对各个模块电路的主控，液晶辅助显示，经反复测试，系统电路电压调整率低于0.04%,负载调整率低于0.5%，功率因数调整可达99%，功率因数测量误差低于0.02，稳态误差绝对值不大于0.

3、03，但受到单片机输出PWM波频率及后级恒流恒压电路的影响，电路变换效率偏低，除此之外，整体电路的其它性能指标优良，可以满足了题目的设计要求。关键词：AC-AC,BOOST升压电路，功率因数一、 系统设计方案论证 本系统主要由AC-AC变换电路，开关电源BOOST升压电路,功率因数检测电路，功率因数校正电路等几个部分构成，系统框图如图1所示：图 1 系统框图下面就各关键模块的设计实现方案进行论证与分析1、AC-AC变换电路交流输入可调交流输出电路主要有可控硅桥式可控整流方式与利用自耦变压器实现两种方式。可控硅整流方式具有可调输出范围广，调节精度高等优点，但是，经整流后，信号畸变严重，且输出信号

4、与可控硅导通角度之间存在着非线性关系，必须有主控芯片回踩控制，增加了硬件电路成本，提高了系统电路设计的复杂性。自耦变压器可调输出的方式虽然可调输出精度低，但是输出波形基本无失真，且使用方便，题目要求提及可以使用自耦变压器，所以本设计选择自耦调压输出的方案。2、Boost升压电路Boost变换器,也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。可以利用集成芯片自身性能独立控制完成，也可以根据系统电路设计需求自主搭建电路完成。目前市场上成熟的Boost集成芯片种类很多，功能强大，很多自带功率因数校正，但是在交流20V-30V输入的范围内，一般Boost集成芯片正常的输入电压在1

5、8V-24V之间，不能满足题目的要求，而且其功率因数校正控制电路由内部集成，无法实现根据设定调整功率因数功能。自主设计Boost升压电路需自己产生PWM波，并通过采样电路回测输出电压，交由主控芯片根据反馈信号调节输出PWM波，硬件电路设计及调试相对复杂，但可实现宽电压输入范围内的恒压输出，也可实现PFC的自主设定调整，可以满足题目设计的需求，因此，本设计选择自主设计Boost升压电路的方案。3、功率因数检测电路系统电路的功率因数测量主要有两种方式：一、通过搭建电路，采样获取负载的有功功率和无功功率，再用勾股定理或三角函数计算功率因数完成。二、通过搭建电路，分别获取电压和电流的相位，功率因数就是

6、电压与电流相位差的余弦函数。直接获取有功功率和无功功率的方式理论计算和分析虽然方便，但是硬件电路使用集成芯片较多，难于系统联调，且精度相对偏低，实现起来有较大难度。直接获取电压电流相位差的方式相对较为简单，电压相位可通过先电阻分压，再过零比较获得，电流相位可通过模拟电流互感器工作原理，在系统电路中串接隔离变压器，再分压通过过零比较电路获得，无需使用任何集成电路，调试相对简单，所以本设计选择第二种方案。4、功率因数校正电路功率因数调整控制的方法概况起来可分为无源补偿和有源补偿两种方案，无源补偿的基本原理是利用电容提供的超前无功电流补偿电网的滞后无功电流，利用电感、电容构成的各次谐波滤波器，吸收除

7、基波频率以外的谐波。无源滤波器原理简单，但是其电容器对无功的补偿是固定的，对负载变化的适应性差，滤波器的体积和质量都相当大，并且容易和系统发生谐振，使得滤波器过载甚至烧毁，其功率因数一般都低于 0.9，有源功率因数校正技术可以实现高输入功率因数和低输入电流谐波含量，并且开关管的电压应力和电流应力都比较小，但是单纯的使用有源功率因数校正技术会使电路结构变的比较复杂。因此，本设计采用无源功率因数校正与有源功率因数校正相结合的方法实现功率因数校正电路。二、 理论分析与计算 1、提高效率的方法（1）在Boost升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压值相等的反向电压，并传导负载所需的最大电流。若采用正

8、向压降低的肖特基二极管，二极管的峰值电流将会有效改善，整个电路的效率将得到提高。 （2）采用交错并联的拓扑结构，构建两路BOOST电路，使两路进行交错工作,使能量从多个变换电路转换到输出直流侧,减小单管上面的能量损耗，提高电 路的传输效率。（3）采用同芯双向激磁绕组的方式，提高BoosT电路磁芯利用率，有效降低剩磁，提高电路效率。2、功率因数调整方法（1）采用人工补偿无功功率的方法，在负载两端并联无功补偿电容器。（2）采用适当的拓扑结构和控制手段,使输入的电流值跟随输入电压波形,并且相位相同,在交流电向直流电转换的过程当中,保证高功率因数和低的总谐波含量。（3）采用单级隔离型全桥功率

9、因数校正电路，对二极管的充放电电路进行改进，使PFc电感电流工作于连续模式，保证电感电流跟踪开关的关断占空比,有效提高功率因数的校正。3、稳压控制方法（1）提高反馈网络的回馈参数，使电压误差放大器的输出动态稳定在满幅输出和零误差输出之间，提高电压环、电流环的相对稳定度，提高输出电压的稳定性（2）提高输出PWM波的细分度，减小开关管的响应时间，进一步的细化输出电压的区分度，提高电路的稳压性能。（3）外接恒流转恒压电路，在Boost恒压的基础上通过采样负载动态电压变化，反馈回主控芯片进行恒流输出控制，实现恒压恒流的双重稳压，提高电路稳压性能。三、 电路与程序设计 1、主回路与器件选择主回路由交流2

10、20V输入自耦变压器调压Boost升压电路功率因数检测电路功率因数校正电路恒流转恒压电路几部分构成，主回路框图如图2所示。自耦变压器选择功率1500W以上的型号，二极管与开关管选择快速恢复的肖特基系列，取样电阻选择耐流值较大的康铜丝电阻，大功率电阻选择绕线式电阻器。 图 2主回路框图2、控制电路与控制程序控制程序主要由平均采样反馈输出电压，实时调节PWM输出，有源补偿功率因数校正，D/A输出控制恒流转恒压几部分构成，程序控制框图如图3所示。控制电路由过零比较电路，电流、电压采样电路，功率因数测量电路，Boost升压电路，恒流转恒压电路几部分构成。主体电路如图4,图5所图3程序控制框图 图4 B

11、oost升压电路 图5功率因数检测电路 图6恒流转恒压电路3、保护电路保护电路由过流保护电路和过压保护电路两部分构成，其电路图如图4所示，过压保护电路如图5所示 图 6过流保护电路 图 7过压保护电路四、测试方案与测试结果1、测试方案及测试条件测试主要采用了独立模块调试逐级调试系统联调整体性能测试的方案， 测试主要在电工电子实验中心完成，电工电子实验中心现拥有示波器、函数发生器、稳压电源和万用表等主要测试设备，以及模拟100MHz示波器、泰克数字示波器、波形发生器等一批专业电子仪器，及单片机、DSP、ARM嵌入式系统、EDA等开发设备 2、测试结果及其完整性根据题目要求对电路系统的各项指标性能

12、进行了测试，测试结果如表1，表2，表，表4，表5，表6所示 表（1）恒压输出测试 输入电压/V 输入电流/A 输出电压/V Us=24 Io=2A 36.02 36.01 36.00 表（2）负载调整率测试输入电压（Us）24V24V24V24V输入电流（Io）0.2A0.8A1.4A2A输出电压（U0）36.07V35.99V35.97V36.00V负载调整率0.27% 表（3） 电压调整率测试 输出电流/A2.02.02.02.02.02.0输入电压/V20.022.024.026.028.030.0输出电压/V35.9836.0236.0436.0536.0436.07电压调整率 0.2

13、5%表（4）过流保护测试 次数 1 2 3 4 5 6断电电流/A 2.5 2.4 2.5 2.5 2.5 2.4 表（5）功率因数测试偏移角度9578功率因数0.9870.9960.9930.989表（6）电路效率测试表输入功率/W7573.0973.6973.24输出功率/W72727272电路效率96%98.5%97.7%98.3%表（7）稳态误差测试 功率因数0.80.880.961.0稳态误差0.020.0170.0130.025表（8）系统测试完成情况表 基本部分要求实现Us=24V,I0=2A输出电压范围35.9V36.1V最大输出电流2A符合要求电压调整率Su<0.5%电压