单相AC-DC变换电路A题

1、单相AC-DC变换电路（A题）摘要本系统以ARMCortex-M3为内核的高速STM32单片机为主控制器，采用电压型 单相桥式SPWM整流电路，设计并实现了高效率，功率因数连续可调.并具有输出过流保护功能的单相AC-DC变换电路。通过对输入电压、电流相位检测求出相位差,Ui实现功率因数测量，STM32单片机综合负载电压反馈、键盘设置通过软件比较输出SPWM波，驱动桥式开关管IRF3205的导通与关断，调节整流电路的电感特性和电容特性，抵消并控制交流输入电压和电流的相差，实现了功率因数连续调节。同时 系统根据设定输出电压与采样电压比较，自动调节PWM波占空比的大小，经测试, 系统完成了题目基本要

2、求和发挥部分所有指标要求。关键词：单相桥式：AC-DC变换；SPWM波；功率因数7按照题L1要求，设计并制作单相AC-DC变换电路。市电220V交流经过自耦变压器和隔离变压器转成交流电压Us=24V为输入，得到直流输出稳定在36V电压，输出电流额定 值为2A0满足如下指标要求：图1单ftlAC-DC变换电路 能够满足当Us=24V, Io在0.2A2.0A范围内变化时，负载调整率SI W 0. 5% ; 当Io=2A, Us在20Vs30V范围内变化时，电压调整率SU W 0.5%- 并具有输出过流保护功能，动作电流为2. 5A±0. 2Ao(4)设计并制作功率因数测量电路，实现AC

3、-DC变换电路输入侧功率因数的测量，测 量误差绝对值不大于0. 03,能够根据设定自动调整电路功率因数，功率因数调整范围不小于 0 80、1 - 00,稳态误差绝对值不大于0. 03,实现功率因数校正。(5)在Us=24Vz Io=2Az Uo=36V条件下，使AC-DC变换电路交流输入侧功率因数不低于0. 98o AC-DC变换电路效率不低于95%0二、方案设计K方案比较与论证整流电路方案一：采用传统二极管整流方式交流输入电压经过二极管桥式不控整流后，再经过DC/DC变换，通过相应的控制使输 入电流平均值自动跟随电压基准值，实现电压的稳定，但难以得到较高的网测功率因数和较 高效率。方案二：电

4、压型桥式SPWM整流电路单相电压型桥式SPWM整流电路如图2所示，每个桥臂曲一个全控器件和反并联的二 极管组成 按照正弦信号和三角波比较的方法对图中的VM W进行SPWM波控制，就可以在 桥的交流输入端ab产生一个SPWM波是b,氐中含有和交流电压同频率的基波分量，以及和 三角波载波有关的高频谐波，且不含有低次谐波。A b与电网的正弦电压丛共同作用于输入 电感L 土，产生正弦输入电流诂U.一定，幅值和相位仅山房b中基波幅值及其与丛的相位 差决定，通过控制整流器交流侧的电压2的幅值和相位,可获得所需大小和相位的输入电 流Ao图2电压型桥式PWM整流电路综上，方案一和方案二均能够完成题U基本要求的

5、所有功能。结合题LI发挥部分对AC- DC变换电路效率要求不低于95%,方案一采用传统的整流二极管导通损耗较大，而方案二采用开关管代替一极管大幅减小导通损耗，提高转换效率。且题口对交流输入串有电感，在 方案二中能够起到平衡电压的作用，有助于提高功率因数，综上，我们选择方案二。功率因数调节(PFC)方案选择方案一：无源功率因数校正无源功率因数校正是在电路中接入滤波器，或在交流侧接入谐振滤波器；当负载为感 性时，可通过在负载端并联电容器的方法提高功率因数。方案二：有源功率因数调节(APFC)该APFC方案充分利用交流输入电压J交流侧附加电感Za交流输入侧整流电路电压Bb 三者之间的稳态矢量关系，(

6、三者矢量关系见理论分析)通过改变整流电路的工作模式，使其 呈现电感特性或电容特性，实现交流输入端电流相位调节，有效提高AC-DC变换电路功率 因数。综上，方案一采用传统无源校正方法，容性元件和感性元件很难匹配题对稳态误差不 大于0. 03的要求。而APFC通过调节SPWM波的方式，可以方便灵活地实现电路的电感特 性或电容特性的转换，故选用方案二。2、总体方案(1)总体思路系统以STM32单片机为主控制器，采用电压型单相桥式SPWM整流电路作为AC-DC变换主电路，整个系统山AC-DC模块、交流电压电流相位检测模块、PWM驱动和功率因数 调节模块、过流保护模块、MCU、显示控制模块七部分组成，通

7、过对输入电压电流相位检测 求出相位差换算出功率因数，STM32单片机根据负载电流电压反馈、及键盘设置，通过软件 方式将正弦波与三角波比较输出SPWM波，驱动桥式开关管IRF3205的导通与关断，调节整 流电路的电感特性和电容特性，抵消并控制交流输入电压和电流的相位差，实现输出功率因 数调节。同时系统根据设定输出电压与采样电压比较，自动调节所产生PWM波占空比的大 小，实现输出电压自动调节并确保输出电压稳定。(2)系统总体框图自制电源电流采样采样相位检测电路变 压AC-DCSPWM驱动电路电流采样图3系统总体框图健盘 设置三角波 发生函数三、理论分析计算 K高效率控制方案在PWM整流电路中，通常

8、采用正弦波脉宽调制(Sinusoids PWM)控制法，简称SPWM控制法，SPWM控制电路的方框图如上整体框SPWM发生器所示，正弦波发生器的输出电 压U与电网电压U,同步，在控制电路中作为调制波。三角波发生器的输出电压U,作为载 波，采用双极性SPWM控制方式，通过控制导通内阻只有8mQ的M0S管IRF33205的导通 和关断代替传统二极管进行整流，大幅减小导通功率损耗，明显提高转换效率。2、稳压控制方法实际应用中，需要负载电压U。稳定，分为交流输入电压U,恒定负载R.变化和交流输入 电压5变化负载电阻R恒定两种情况讨论。 情况一：输入交流电压u<,恒定，负载电阻1变化，(负载调整率

9、)此时，若要保持输出直流电压u<,稳定，由公式:V2=constUs mcosACOSOi。<AV>得mcos人保持不变是U。恒定的必要条件，但是负载R.变化，必将引起输出直流电流 Io的变化，从而引起电网电流IsN成正比例变化，也将引起相位角0成正比例变化，而 COSO的变化将引起Uo的变化，为了保持mcosA = const，应使m （ SPWM调制比）相对于cos©成反比例变化。（2 ）情况二：负载电阻1人恒定、交流输入电压U,变化（电压调整率）此时，由于输出直流电压U。和负载电阻R.恒定，则交流输入功率UsIs = UoIo=const/当匕变化时，由于电感

10、L存在，电流I也要滞后于4,即相位角口发生变化时，由上式可 知，U。不变,应满足=const（ 3）mcostp即当Us增大时，0增大，COSO减小，为保持U。恒定，调制比m必须增大保持上 式成立。综上，要保持U<,恒定，必须改变调制比mo在三角波载波信号的幅值Ue不变的 情况下，改变m就是改变正弦调制波的幅值Urmo而工作模式的变换实际上就是改变U,和 U。之间的相位角口来实现。具体到控制电路，就是按既定的时序产生桥臂上功率开关管 M 匕的触发脉冲“U*和调节URM的大小。3、SPWM整流电路交流侧稳态矢量关系及功率因数调整由上图3电压型单相桥式SPWM整流电路所示，L为交流侧附加的电

11、抗器，在PWM整流电路中是一个重要的元件起平衡电压和电流滤波作用，其两端电压:(4)uL=Ldis/Jt = Us-Uab根据负载特性公式：ZL=jwL=u/z （感性负载，电压超前电流90。）（5）Zr = R = u/i （正阻性性负载，电压和电流同相）（6）Zc=l/>c=n/z （容性负载，电流超前电压90o ） （ 7 ）ZR=-R=-u/i （负阻性负载，电压和电流反向）（8 ）写成向量形式则有UL二jwLIs=Us-Uab假设稳定运行时|1不变，则|Uj = wfs|也不变，考虑到 上、讥、5b的向量图，此时PWM整流器交流侧电压U b端点运动轨迹构成了一个以|UJ 为半径

12、的圆。当电压矢量Uq端点位于圆轨迹A点时，电流矢量J比5滞后90。,此时SPWM整流电路呈现纯电感特性，如图4中&所示。当Uab端运动至圆轨迹B点时，L与Us平行且同向，此时PWM整流电路呈现正电阻特性，如图4中b所示。当端运动至圆 轨迹C点时，1$比Us超前90。，此时PWM整流电路呈现纯容性特性，如图如图4中c所 示。当端点运动至D点时，I,与Us平行且反向,此时SPWM整流电路网侧呈现负电阻特性，如图4中d所示。DaC图4 SPWM整流电路交流侧稳态矢量关根据整流电路交流侧稳态矢量调整特性，STM32主控制器检测到输入交流电的相移差 后，实时调整SPWM输出和开关管的导通，从而控

13、制整流电路呈现感性或者容性，抵消输 入相移，提高功率因数。Era 设计实顼K电压电流相位检测采用光耦电路和过零比较器分别对输入交流电压和电流进行相位检测，同时使用逻辑 异或电路得出相位差P,具体电路如图附录2、电压型桥式SPWM整流电路本系统主回路采用单相桥式PWM整流AC-DC电路组成，AC-DC全桥整流电路山单片机输出四路SPWM控制四个开关管的导通和截止。决定整流电路呈现电容特性或电感特性，抵消并改变输入电压和电流的相位差，实现功率因数调节。整个电路中所有开关管均 采用导通内阻只有8mQ的MOS管IRF3205,导通功率损耗较小,可有效提高电源效率。具 体电路见附录二所示。3、过流保护的

14、实现当电流互感器检测出输出电流大于2.5A时，通过单片机调整SPWM输出，降低输出电压从而减小输出电流，若出现特殊情况，使用STM32单片机软件控制继电器直接关断负载电压，确保达到过流保护的目的。五、测试1、测试条件和测试仪器设备单相AC-DC变换电路，利用250V自耦变压器利24V隔离变压器构成交流电源输入， 同时与大地隔离。电路需要对电流、电压和功率因数进行测量，需要使用万用表和数字式 电参数测量仪。设备如下表1所示。表1测试使用的仪器设备序号冬称,型号、规格9备注出厂编号/型号1示波器Tektronix1TektronixC0390702数字万用表UT58E6UNI-T3数字式单向电参数

15、测虽:仪1青岛青智仪器有限公司8716B12 测试方法和测试结果1、负载调整率测试测试方法：调节输入交流电压为Us=24V,输出直流电流为10二2A条件下，测试输出电压 大小，改变负载大小，I。在02A和2A条件下，测量负载电压。表2负 载 调 整 率 测 试序号输出电流(A)输出电压(V)负载调整率10. 20136. 030. 27%2.01835. 9320.21236. 030. 22%1.99835. 9530. 20536. 030. 30%2. 06535.92测试结果分析：负载调整率S小于0 5粘满足题口对系统带负载能力的要求，同时满足题tl基本要求第一项输出电压氏波动范围在0

16、. IV之内。2、输入电压调整率测试测试方法：调节输入交流电压口为20V和30V时,测量直流输出电压U 和表3电 压 调 整 率 测 试序号输入电压(V)输出电压(V)电压调整率120.836. 060. 5%29.836. 22220. 136. 020. 44%29. 136. 18320.036. 020. 47%30.036. 19测试结果分析：系统电压调整率能够满足题LI电压调整0.5%要求，但是电压调整能力较弱。3、功率因数测试测试方法：将AC-DC变换电路接入数字式电参数测量仪，直接读出系统显示结果和仪器测试结果，键盘设置功率因数，记录测试结果。序号输入电压 (V)设定值输出电压

17、 (V)输出电流(A)功率因数(单相电参 数测疑仪)误差124无362. 000. 990.012240. 80362.010. 7860.0143240. 90362. 010. 8770. 0234240. 95362. 000. 930. 0204功率因数测试5241.00362. 020. 9790. 021测试结果分析：通过数字式电参数测量仪直接读出系统功率因数，默认启动和键盘设置功率因数结果误差很小，满足题H要求。为2A,输出直流电压4、AC-DC变换效率测试测试方法：接入负载，调节输入交流电压Us=24V,输出直流电流I。Uo为36V条件下,表5 AC-DC变换效率测试序号输入电

18、压V输入电流A输入功率输出电压输出电流输出功率效率121.03. 17076. 09636. 032.01772. 6795. 5%221.03. 17176. 10536.032.01372. 5395. 3%321.03. 16575. 97136.032.02072. 7895. 8%421. 03. 11771.81136.031.98571.5295. 6%524.03. 16675. 99636. 032.00872. 3595. 2%测试结果分析：AC-DC变换效率勉强大于95%,能够实现系统对变换电路效率的要求。五、结论本系统的创新之处在于使用高速STM32单片机内部正弦函数与

19、三角波函数比较产生 SPWM控制桥式整流电路呈现电容特性或者电感特性,达到对交流输入电压的功率因数调 节和对负载电压的有效控制。经测试，系统AC-DC转换效率达到95%以上，功率因数可 在0 0范围内可控调节，负载调整率小于0.3%,能够完成本系统对题IJ基础和发挥部分的所有指标要求。但是山于队员能力有限和比赛时间紧张，以及对SPWM桥式整流电 路的控制还不够成熟，AC-DC功率因数调整还显薄弱。参考文献11张兴,杜少武，黄海宏电力电子技术北京：科学出版社，2010. 72曲学基，曲敬凯，于明扬：电力电子整流技术及应用.北京：电子工业出版社， 200&43杨兴明，高先和，谭敬，黄景荣：电子设计竞赛基础与实践.合肥:合肥工业大学出版