單相AC-DC變換電路

1、單相AC-DC變換電路摘要本設(shè)計(jì)以TI公司的MSP430F169單片機(jī)為控制器，采用了TI公司的UCC28019芯片，搭建了一個(gè)單相AC-DC變換電路。本系統(tǒng)由變壓器模塊、AC-DC變換電路、功率因數(shù)檢測(cè)電路、功率因數(shù)調(diào)整電路和電流檢測(cè)電路等組成。在實(shí)驗(yàn)裝置的電源電路中，對(duì)電源的輸出直流電壓、直流電流和電源的功率因數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，并通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)電源的輸出直流電壓進(jìn)行設(shè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電源的進(jìn)線交流電壓和負(fù)載電流，在比較寬的范圍內(nèi)變化的時(shí)候，電源的輸出電壓能夠保持較高的穩(wěn)定性；具有過(guò)流和過(guò)壓的保護(hù)功能。利用UCC28019功率因數(shù)校正功能，將電源裝置的功率因數(shù)提高到了0.98以上，并能夠?qū)⒐β室?/p>

2、數(shù)在0.8-1.0之間調(diào)整，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：MSP430F169；UCC28019；AC-DC變換；功率因數(shù)2 方案設(shè)計(jì)與論證2.1 總方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)并制作如圖所示的單相AC-DC變換電路。輸出直流電壓穩(wěn)定在36V，輸出電流額定值為2A。全橋整流電路220V/220V隔離變壓器自耦變壓器電阻性負(fù)載電容濾波電路開(kāi)關(guān)管采集電流電壓功率因數(shù)調(diào)整電路功率因數(shù)控制電路采樣輸出電流電壓計(jì)算功率因數(shù)電路鍵盤(pán)MSP430F1691602顯示圖2-1 系統(tǒng)總框圖2.2 功能描述2.2.1基本要求（1）在輸入交流電壓Us=24V、輸出直流電流Io=2A條件下，使輸出直流電壓Uo=36V±0.1V

3、；（2）當(dāng)Us=24V，Io在0.2A2.0A 范圍內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI0.5%；（3）當(dāng)Io=2A，Us在20V30V范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓調(diào)整率SU0.5%；（4）設(shè)計(jì)并制作功率因數(shù)測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)AC-DC變換電路輸入側(cè)功率因數(shù)的測(cè)量，測(cè)量誤差絕對(duì)值不大于0.03；（5）具有輸出過(guò)流保護(hù)功能，動(dòng)作電流為2.5A±0.2A。2.2.2 發(fā)揮部分（1）實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，在Us=24V，Io=2A，Uo=36V 條件下，使AC-DC 變換電路交流輸入側(cè)功率因數(shù)不低于0.98；（2）在Us=24V，Io=2A，Uo=36V 條件下，使AC-DC 變換電路效率不低于95%；（3）能夠根據(jù)設(shè)

4、定自動(dòng)調(diào)整功率因數(shù)，功率因數(shù)調(diào)整范圍不小于0.801.00，穩(wěn)態(tài)誤差絕對(duì)值不大于0.03。3 硬件方案設(shè)計(jì)與論證3.1 PFC控制方案的論證和選擇一般功率因數(shù)校正的控制方法有模擬控制方法和數(shù)字控制方法，為此設(shè)想了以下幾種控制方案：方案1：采用DSP+BOOST實(shí)現(xiàn)：采用純軟件調(diào)整控制參數(shù)，比如，PWM波的占空比，一般的使用數(shù)字控制可以減少元器件的數(shù)量，減少材料和裝配的成本，而且可減小干擾，但限于本組知識(shí)和能力的限制，不選用該方案。方案2：采用BOOST+UC3854實(shí)現(xiàn)：UC3854是一種工作于平均電流的的升壓型有源功率因數(shù)校正電路。它的峰值開(kāi)關(guān)電流近似等于輸入電流。是目前較為廣泛使用的APF

5、C電路。該方案所實(shí)現(xiàn)的PFC電路，要調(diào)節(jié)UC3854的電壓放大器，電流放大器和乘法器。方案3：采用BOOST+UCC28019實(shí)現(xiàn)：UCC28019是TI公司新近推出的一種功率因數(shù)校正芯片，該芯片采用平均電流模式對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正，使輸入電流的跟蹤誤差產(chǎn)生的畸變小于1，實(shí)現(xiàn)了接近于l的功率因數(shù)。UCC28019組成的PFC電路,只調(diào)節(jié)一個(gè)放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)即可。 比較三種方案，發(fā)現(xiàn)方案三，設(shè)計(jì)步驟減少了好幾步，相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單易行，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方案完全達(dá)到題目的要求。綜上所述，選用方案三。3.2 整流變換電路整流電路是能夠?qū)⒔涣麟娔苻D(zhuǎn)換為直流電能的變換器。方案1：?jiǎn)蜗喟氩ㄕ麟娐防枚O管的單

6、向?qū)щ娦裕涣鞯恼胫軆?nèi)，二極管導(dǎo)通，在負(fù)載上輸出正向脈動(dòng)直流電壓電流，交流的負(fù)半周內(nèi)，二極管截止，負(fù)載上沒(méi)有電壓輸出，電路如圖3.3所示。圖3.3 單相半波整流電路方案2：?jiǎn)蜗鄻蚴饺ㄕ麟娐窐蚴秸麟娐肥且运膫€(gè)整流二極管接成電橋形式，利用二極管的電流導(dǎo)通作用，在交流e2的正半周內(nèi)，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，負(fù)載RL上得到上正下負(fù)的輸出電壓，在負(fù)半周內(nèi)，正好相反，流過(guò)RL的電流方向與正半周一致，因此整個(gè)周期內(nèi)負(fù)載上都有方向不變的脈動(dòng)直流電壓電流，電路如圖3.4所示。圖3.4 單相橋式全波整流電路方案3：?jiǎn)蜗郟WM整流電路該電路同樣利用了二極管單向?qū)щ娦?，電容電感濾波，最后負(fù)載上輸出值流

7、，電路如圖3.5所示。圖3.5 單相PWM整流電路方案選擇：在單項(xiàng)半波整流電路中，變壓器中有直流分量流過(guò)，降低了變壓器效率，整流電路的脈動(dòng)成分太大，對(duì)濾波電路要求太高，只適用于小電流整流；而單項(xiàng)PWM整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可以從交流電源電壓峰值附近向高調(diào)節(jié)，如果向低調(diào)節(jié)就會(huì)使電路性能惡化，以致不能工作；單項(xiàng)橋式整流電路是目前使用最多的整流電路，其輸出直流電壓比單項(xiàng)半波高，輸出電壓脈動(dòng)比單項(xiàng)半波小，變壓器利用率高，所以我們選擇了方案2。3.3 電壓互感器采樣模塊：電壓互感器利用的是電磁感應(yīng)原理，是由閉合鐵芯和繞組組成，對(duì)電路電壓進(jìn)行采樣。圖3.6 電壓互感器采樣電路圖3.4 電

8、流互感器采樣模塊：電流互感器運(yùn)行情況相當(dāng)于二次側(cè)短路的變壓器，電流互感器將高電流按比例轉(zhuǎn)換成低電流，對(duì)電路電流采樣。圖3.7 電流互感器采樣電路圖3.5 輔助供電部分輔助電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供+5V和+12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡(jiǎn)單，都采用LM2596實(shí)現(xiàn)，原理圖如圖3.8所示：圖3.7 LM2596輔助供電電路圖4 軟件與算法設(shè)計(jì)4.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)顯示功能。顯示部分：顯示功率因數(shù)。2、程序設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)軟件控制功率因數(shù)測(cè)量部分的側(cè)相電路工作。上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后調(diào)用取樣子程序

9、，檢測(cè)當(dāng)前電壓電流的相位差，根據(jù)測(cè)量公式顯示功率因數(shù)。4.2 程序流程圖主程序流程圖和計(jì)算公式流程圖如圖4.1所示：開(kāi)始初始化數(shù)據(jù)處理顯示初設(shè)功率因數(shù)值KEY1=1顯示被測(cè)功率因數(shù)值KEY2=1是否是開(kāi)始m=20=N*2/（N+M）的計(jì)算a=返回是否圖4.1程序流程圖5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果5.1 測(cè)試儀器電路測(cè)試中使用的儀器設(shè)備及其用途如表1所示。序號(hào)儀器名稱數(shù)量用途1數(shù)字示波器1測(cè)試電源驅(qū)動(dòng)波形及紋波2直流穩(wěn)壓電源1開(kāi)關(guān)電源供電3數(shù)字萬(wàn)用表2測(cè)試410歐100W負(fù)載1測(cè)試開(kāi)關(guān)電源功率表1 電源部分測(cè)試使用儀器5.2 測(cè)試方法系統(tǒng)硬件方案完成后，各模塊焊接，檢測(cè)完畢后，連線無(wú)誤，再逐步對(duì)各模塊進(jìn)行測(cè)試。5.3 測(cè)試結(jié)果表4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)試參考文獻(xiàn)1 周潔敏等.開(kāi)關(guān)電源磁性元件理論及設(shè)計(jì)M.北京航空航天大學(xué)出版社，20142 譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程M.清華大學(xué)出版社，20073 王守華等.模擬電子技術(shù).M.西安電子科技大學(xué)出版社，20114 董敏等.數(shù)字電子技術(shù).M.西安電子科技大學(xué)出版社,20105 Sanjaya Maniktala.精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)（第二版）.M.人民郵電出版社，20136 王水平、賈靜等.開(kāi)