基于PFC的單相ACDC變換電路研究

基于PFC的單相ACDC變換電路研究摘要在電力系統(tǒng)中，供電單位為一定頻率的單、三相AC供電，但不同的供電設(shè)備類(lèi)型、功能各異，對(duì)電能的電壓、頻率要求也不同。這就要求我們通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到最大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。改變后的電能，在全國(guó)發(fā)電總量中所占的比例，已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家技術(shù)水平的重要指標(biāo)。因此，研制一種實(shí)用、高效的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)上還是在節(jié)能上都有著十分重要的作用?！娟P(guān)鍵詞】有源功率因數(shù)校正AC-DC變換電路設(shè)計(jì)DesignofSinglePhaseAC-DCConverterCircuitAbstractInthepowersystem,thepowersupplyunitisasingleorthree-phaseACpowersupplyunitwithacertainfrequency,butdifferenttypesofpowersupplyequipmentandfunctionsdiffer,andthevoltageandfrequencyrequirementsforelectricalenergyarealsodifferent.Thisrequiresustoachievethemaximumtechnicalandeconomicbenefitsbytransformingthepowersystemtoachieveoptimaloperatingconditions.Theproportionofchangedelectricenergyinthetotalelectricitygenerationinthecountryhasbecomeanimportantindicatorofacountry'stechnologicallevel.Therefore,developingapracticalandefficientpowerconversiondeviceplaysaveryimportantroleinbotheconomyandenergyconservation.【Keywords】ActivepowerfactorcorrectionAC-DCconvertercircuitdesign1緒論1.1研究背景與意義固體AC-DC轉(zhuǎn)換器電源在調(diào)速驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)電源、UPS電源、一些接口電路(例如與太陽(yáng)能電池等非常規(guī)電源接口)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、一些工藝技術(shù)、電器工具的電池充電器、通信系統(tǒng)或測(cè)量裝置的電源電源等[1]。交流-DC轉(zhuǎn)換器又稱(chēng)為整流器，它是由二極管和三極管組成，通過(guò)單向或雙向的電力流來(lái)控制或不能控制的DC電源[2]。電力供應(yīng)一端連接于交流電，存在非線性特性負(fù)荷,會(huì)向電網(wǎng)中注人了大量的諧波,導(dǎo)致了整個(gè)電力系統(tǒng)假設(shè)非線性負(fù)載產(chǎn)生電流為電源電流，而中電壓和電流波形的嚴(yán)重失真[3]、交流端功率因數(shù)低、負(fù)載端直流電壓波動(dòng)低、效率低、濾波器體積大等問(wèn)題。由于應(yīng)用不斷增長(zhǎng)，新的整流器隨看新器件的使用發(fā)展起來(lái)。這樣的設(shè)備一般叫做一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置。為改善電力線的功率因數(shù)，對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，各國(guó)及有關(guān)組織均制訂了規(guī)范，例如EEE519,IEC555-2,IEC1000-3-2,EN60555-2等，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電力供應(yīng)系統(tǒng)所能產(chǎn)生的最大諧波電流作出了規(guī)定。我國(guó)于1994年頒布并實(shí)施了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，為達(dá)到“標(biāo)準(zhǔn)”，采用PFC技術(shù)取代了常規(guī)二極管整流器[4]。采用PFC整流器，能減少諧波，提高功率因數(shù)，如果要實(shí)現(xiàn)高供電質(zhì)量的交流-DC轉(zhuǎn)換器，就需要在輸入c端增加PFC電路，以確保輸入電流為正弦，諧波很小，在輸出dc端加上DC-DC調(diào)節(jié)器，就能獲得穩(wěn)定、準(zhǔn)確的直流電壓。因此，在進(jìn)行控制時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況和負(fù)荷的不同，采用適當(dāng)?shù)目刂品绞?，同時(shí)兼顧成本和質(zhì)量。盡管全功率因數(shù)是最理想的指標(biāo)，但是不能滿(mǎn)足調(diào)整器的要求，比如IEEE519和IEC1000-3-2，它們都允許有一定數(shù)量的三相諧波[5]。因此，在低功耗情況下，單相、單相單相控制的簡(jiǎn)單控制方式，已有很多優(yōu)點(diǎn)。電力是當(dāng)今世界的主要能源，在各行各業(yè)中，幾乎所有的科技設(shè)備都是用電的，必須要有特定的電力供應(yīng)。在電力系統(tǒng)中，供電單位為一定頻率的單、三相AC供電，但不同的供電設(shè)備類(lèi)型、功能各異，對(duì)電能的電壓、頻率要求也不同。這就要求我們通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到最大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。改變后的電能，在全國(guó)發(fā)電總量中所占的比例，已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家技術(shù)水平的重要指標(biāo)。因此，研制一種實(shí)用、高效的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)上還是在節(jié)能上都有著十分重要的作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀直流變換器按其結(jié)構(gòu)可分為兩個(gè)階段和一個(gè)單一階段。其中，二級(jí)結(jié)構(gòu)的前一級(jí)是PFC環(huán)節(jié)，后一級(jí)是DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。近年來(lái)，由于ACDC變流器在功率密度、效率等方面的需求越來(lái)越高，單級(jí)型ACDC變流器也逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。該器件具有PFC鏈和DC電壓轉(zhuǎn)換功能，具有器件數(shù)量少，能量轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)少等特點(diǎn)[6]。YijieWang在《基于BCM升壓電路和LLC變換器的單級(jí)路燈LED驅(qū)動(dòng)器》中提出了基于交錯(cuò)并聯(lián)Boost和LLC電路的單級(jí)交直變換系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖1-1Boost和LLC電路的單級(jí)AC-DC電路圖而《基于交錯(cuò)降壓升壓電路和LLC諧振變換器的單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器》中提出了基于交錯(cuò)并聯(lián)Buck-Boost電路和LLC電路的單級(jí)交直變換系統(tǒng)[7]，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。由于采用共用開(kāi)關(guān)管，二者的系統(tǒng)元件數(shù)量都有所下降，效率都在91%以上。CACDC但是，圖1-1中的Boost-LLC單級(jí)變換器，其前端工作在BCM方式，THD比較大，不適合用于THD和PF高的場(chǎng)合。在圖1-2中，Buck-Boost-LLC單級(jí)變流器中，盡管輸入電流會(huì)隨著輸入電壓的改變而自動(dòng)改變，但是由于器件數(shù)量的增加，使得整個(gè)系統(tǒng)的容量增加，效率下降。同時(shí)，兩種單級(jí)結(jié)構(gòu)都需要對(duì)前級(jí)PFC和后級(jí)LLC電路進(jìn)行組合，從而使開(kāi)關(guān)管內(nèi)的電流應(yīng)力顯著增大。另外，在交流輸入電壓波動(dòng)時(shí)，單級(jí)電路的母線電壓會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，從而影響到整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)和效率。因此，盡管單級(jí)型ACDC變換器的數(shù)量可以減少，但是它的設(shè)計(jì)卻很困難，而且它的元件所要承受的電壓和電流應(yīng)力也很高。所以，尋找結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件數(shù)量少的二階ACDC轉(zhuǎn)換器件具有十分重要的意義。BoostPFC是一種低成本、低噪聲、高可靠性的新型功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是當(dāng)前功率器件中應(yīng)用最廣泛的一種拓?fù)?。二極管的導(dǎo)通損耗高，導(dǎo)致了系統(tǒng)的效率降低。半橋式雙BoostPFC的結(jié)構(gòu)，在電路中減少一組二極管，從而改善了系統(tǒng)的性能[8]。此外，通過(guò)二極管D1和D2直接連接到柵邊和直流邊，從而降低了共模噪聲。但是，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)Boost變換器在正、負(fù)半圓之間交替運(yùn)行，其開(kāi)關(guān)和電感器的利用率比常規(guī)BoostPFC要低得多。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.研究?jī)?nèi)容本篇文章一共分為六個(gè)章節(jié)。以下為本文的主要內(nèi)容。第一章緒論。主要講述本篇文章的研究背景與意義，以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第二章是相關(guān)理論。主要講述本篇文章所使用的一些技術(shù)理論知識(shí)。第三章是單相AC-DC變換電路設(shè)計(jì)方案及原理。主要對(duì)本次單相AC-DC變換電路進(jìn)行總體設(shè)計(jì)并闡述原理。第四章是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。這一章對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其可以控制電路進(jìn)行工作。第五章是電路測(cè)試。這一章對(duì)本次設(shè)計(jì)電路進(jìn)行測(cè)試，看其性能與功能是否達(dá)到預(yù)期。第六章是總結(jié)。這一章是對(duì)本篇文章進(jìn)行總結(jié)與展望。2.研究方法文獻(xiàn)綜述法:在網(wǎng)上查詢(xún)AC-DC變換電路相關(guān)知識(shí)，為本篇論文的完成打下堅(jiān)定的基礎(chǔ)，使得本次論文寫(xiě)作有所參考以及理論依據(jù)。2單相AC-DC變換理論2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交流-直流轉(zhuǎn)換電路主要包括兩個(gè)主要的功率和控制兩個(gè)方面。按其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可將系統(tǒng)的功率級(jí)劃分為單向、雙向電源的升壓、降壓、降壓、多級(jí)轉(zhuǎn)換等八種類(lèi)型。本文側(cè)重于單方電源流的應(yīng)用，本文著重闡述了四種單向變流器的實(shí)現(xiàn)方式。首先是單向升壓變換器，它主要包括二極管橋整流器和一個(gè)帶有濾波蓄能器的升壓轉(zhuǎn)換器，見(jiàn)圖2-1。采用高頻PWM技術(shù)和電流控制技術(shù)，對(duì)電流環(huán)和外部電壓環(huán)進(jìn)行控制，使其具有高質(zhì)量的AC/DC輸入。它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低廉、在很大的交流輸入電壓和頻率范圍內(nèi)都能提供快速、穩(wěn)定的DC輸出電壓。其不足之處在于，其輸出電壓僅比輸入電壓高，且元件受力大。它的用途包括：電子整流器，電力電源，變速交流電機(jī)(壓縮機(jī)，冰箱，泵，風(fēng)扇等)[9]。單向降壓變換器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為二極管橋式整流器和以濾波儲(chǔ)能元件組成的降壓型轉(zhuǎn)換器組成，如圖1.3所示。降壓變換器可以得到需要的各種直流電壓，且擁有很好的電源品質(zhì)如交流輸入側(cè)很高的功率因數(shù)、低THD、穩(wěn)定的輸出直流電壓、較快的響應(yīng)速度和較小的元件應(yīng)力[4]。但是在輸入電壓很小時(shí)容易出現(xiàn)交越畸變，從而使THD值增大。其主要應(yīng)用在：小功率的直流馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)、電池充電、隔離的可調(diào)直流電源等。單向降-升壓變換器這種轉(zhuǎn)換器通常由二極管整流器和降-升壓DCDC轉(zhuǎn)換器組成，如圖2-3所示。現(xiàn)有Buck-Boost轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)即有非隔離式的又有隔離式的[10]。高頻變壓器隔離可給電壓調(diào)整提供更好的控制，對(duì)于負(fù)載設(shè)備更安全，結(jié)構(gòu)緊湊，降低了重量、大小和損耗，以及提高了對(duì)負(fù)載變化的適應(yīng)性。用諧振開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)可用來(lái)降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力及器件損耗，若工作于高頻，可進(jìn)一步降低磁性元件和儲(chǔ)能元件的大小。其主要應(yīng)用在：開(kāi)關(guān)型功率電源、鐵路信號(hào)、電池充電器、不間斷功率電源、小功率的無(wú)刷交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等。單向多級(jí)變換器基本結(jié)構(gòu)由二極管整流器、PWM控制器和有源雙向開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1.5所示。這些轉(zhuǎn)換器不僅在c輸入端提供高的功率因數(shù)及低的THD，而且在輸出端提供可控的無(wú)紋波的c電壓。這種結(jié)構(gòu)可降低元件應(yīng)力亦可在較低開(kāi)關(guān)頻率下有同樣的性能，所以可實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗和高效率。其主要應(yīng)用在：變速驅(qū)動(dòng)，如帶一個(gè)轉(zhuǎn)向裝置的無(wú)刷馬達(dá)，或用于空調(diào)、變速風(fēng)扇、泵及壓縮機(jī)等。2.2高壓器件元件的選擇對(duì)于達(dá)到一個(gè)高性能的AC-DC變換器是很重要的。在高品質(zhì)電源的AC-DC變換器中最主要的和高成本的元件就是功率器件[11]。在小功率的轉(zhuǎn)換器中，通常用MOSFET，可達(dá)到合理的高效率甚至高的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低磁性元件的尺寸；中等功率范圍中，GBT是很常用的器件，因其有很好的柵特性及工作于寬的開(kāi)關(guān)頻率范圍的能力，可達(dá)到磁性元件、濾波元件大小及開(kāi)關(guān)損耗之間的優(yōu)化平衡。在高功率范圍，則通常用GTO，因其有自關(guān)斷及反向電壓阻斷能力的優(yōu)勢(shì)。新器件的發(fā)明為功率電子的發(fā)展提供新的契機(jī)。陳星弼教授的復(fù)合緩沖耐壓結(jié)構(gòu)的發(fā)明，突破了原硅功率管耐壓和導(dǎo)通電阻之間的限制，并由西門(mén)子公司在1998IEDM會(huì)上宣布實(shí)現(xiàn)，業(yè)界稱(chēng)為Super-JunctionDevice或CoolMOS。CoolMOS及SiC二極管在電源類(lèi)產(chǎn)品中的使用，大大提高了電源的效率。CoolMOS用電荷補(bǔ)償?shù)脑韺?duì)器件的關(guān)鍵參數(shù)如導(dǎo)通電組、擊穿電壓、柵電荷等進(jìn)行優(yōu)化，相比傳統(tǒng)的器件有很好的電特性及動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于600V的器件，與傳統(tǒng)的MOSFET相比，CoolMOS的芯片面積縮小4倍，對(duì)于800V的器件甚至可以大約縮小6倍。主要的限制和挑戰(zhàn)來(lái)自于制造工藝中要精確控制電荷補(bǔ)償。CoolMOS500V器件專(zhuān)門(mén)為PFC、諧振橋式技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)及雙向轉(zhuǎn)換器等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并由于其優(yōu)越的性能而越來(lái)越受到關(guān)注。為使CoolMOS的特性得到最好的發(fā)揮，可用具有超快的開(kāi)關(guān)特性SiC二極管來(lái)與其匹配，在阻斷電壓300V到1000V以及開(kāi)關(guān)頻率高于50KHz的應(yīng)用領(lǐng)域中備受青睞。CoolMOS和SiC肖特基二極管的組合使用可以提高功率電源的效率，因工作于高頻，可使無(wú)源元件更小，減小總體的尺寸，從而降低成本。Infineon技術(shù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)此方面做了大量的研究和試驗(yàn)，并開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中的控制芯片CoolSET，集成了控制電路與CoolMOS器件[12]。綜上所述，為進(jìn)一步提高性能，ACDC變換器不斷地有新發(fā)展。一些新的趨勢(shì)是采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)降低AC-DC變換器中的開(kāi)關(guān)損耗，工作于很高的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和降低儲(chǔ)能元件的大小(輸入輸出濾波器、高頻變壓器)：嵌入式和多單元的方法用于包括PFC功能的AC-DC變換器中，來(lái)提高性能和消除EMI無(wú)源濾波：?jiǎn)渭?jí)轉(zhuǎn)換器的新發(fā)展是不斷提高效率，降低尺寸和提高可靠性[13]。2.3有源功率因數(shù)校正技術(shù)有源功率因數(shù)校正技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)步驟為采用高頻斬波方案，控制輸入電流相位以正弦規(guī)律跟隨輸入電壓相位，使輸入PF值接近于1。結(jié)合采用高頻開(kāi)關(guān)器件與控制方案，使得有源功率因數(shù)校正技術(shù)得到了較好的發(fā)展，降低了變換器的整體體積，并降低系統(tǒng)對(duì)外電磁干擾[14]?？傮w上有源功率因數(shù)校正具有電流校正度高，高頻化明顯，電磁干擾低，設(shè)備體積小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)具有硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，控制思想復(fù)雜，變換器整體造價(jià)高的缺點(diǎn)。伴隨半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，各種集成控制芯片的不斷面世，控制技術(shù)更加成熟，變換器總體造價(jià)也在降低，使得該變換技術(shù)在中小功率中得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在大量的參考文獻(xiàn)及研究成果大多是基于有源功率因數(shù)校正技術(shù)。3單相AC-DC變換電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總框架本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總框架圖如下圖3-1所示，其中AC-DC電路將通過(guò)其電路的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，并且對(duì)其進(jìn)行功率因數(shù)校正。MSP430即可接收被功率因素校正過(guò)的輸出電流，并且通過(guò)使用移相電路對(duì)其進(jìn)行精確的控制與調(diào)節(jié)，使其更為精準(zhǔn)。而其中的電壓電流測(cè)量電路則是對(duì)本次設(shè)計(jì)中的電路實(shí)行一個(gè)監(jiān)控的作用，若其電壓超過(guò)極限，則會(huì)將其通向DC-DC降壓電路，使其電壓減少到安全線上，保障其電路安全。而電流若是超過(guò)極限，則會(huì)通過(guò)MSP430將電路中斷，從而保護(hù)電路。而本次設(shè)計(jì)可使用一個(gè)4*4的鍵盤(pán)來(lái)修改功率因素的值，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，而LCD則是將其中的各個(gè)數(shù)值顯示出來(lái)。本次電路設(shè)計(jì)決定設(shè)計(jì)一款輸入的交流電壓在20伏至30伏之間，輸出電壓能夠穩(wěn)定在36伏，電流小于等于2.5A，并且使得功率因素能夠在0.8到1之間調(diào)控。圖3-1系統(tǒng)框架圖3.2功率因數(shù)校正本次有源功率因數(shù)校正電路如下圖3-2所示。由于使用分立元件組成的有源功率因數(shù)校正電路操作較為繁瑣，其中的DSP控制的算法也比較復(fù)雜，從而使得功率因數(shù)的校正也較為困難。因此本次設(shè)計(jì)通過(guò)控制連續(xù)電流從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的校正。本次設(shè)計(jì)使用UCC28019A芯片，該芯片的功能十分強(qiáng)大，不僅僅能搭建出更加穩(wěn)定可靠的電路，并且在外圍電路搭建上也較為簡(jiǎn)易。本次設(shè)計(jì)通過(guò)使用Vsense引腳來(lái)接收輸出電壓，讓其在一定程度上保持穩(wěn)定。并且可以將芯片中3腳與電流信號(hào)中斷，再與移相電路連接，從而完成功率因素的改變。3.3功率因素調(diào)整由上述可知芯片可完成功率因素的校正，而本次設(shè)計(jì)的要求需要功率因數(shù)保持在0.8至1之間，并且可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整，若是功率因素在0.8，則意味著電壓與電流的相位差為36.86度。這表示若是要保持功率因數(shù)在0.8至1之間，那么移相電路就需要保持0至36.68度的移相。本次設(shè)計(jì)采用的移相電路圖如下圖3-3所示。圖3-3RC相移電路路傳遞函數(shù)推導(dǎo)如下：中的可調(diào)電阻用數(shù)字電位器代替，電阻值可以通過(guò)程序控制，即程序控制相位移動(dòng)，電路圖如圖3.4功率因素測(cè)量平常測(cè)量功率因數(shù)的方法是通過(guò)電流電壓波形相位差的計(jì)算，而該計(jì)算方法會(huì)因?yàn)殡妷弘娏鲗?dǎo)致失真，從而導(dǎo)致誤差較大，為本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很大的不便。因此本次功率因素通過(guò)有功功率與視在功率的比值來(lái)計(jì)算，有功功率是通過(guò)將電壓電流的波形使用乘法器計(jì)算得到，視在功率即是輸入的電壓與電流的有效值相乘所得。而輸入電壓的波形可以通過(guò)使用線圈在變壓器纏繞幾圈接出獲得，電流波形則是通過(guò)霍爾電流傳感器測(cè)量獲得。本次設(shè)計(jì)使用AD63781芯片來(lái)進(jìn)行有效值檢測(cè)，并且使用ADS1248來(lái)進(jìn)行AD采樣，保障了其準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，從而使得測(cè)量更加精確。其電壓有效值測(cè)量電路、電流有效值測(cè)量電路以及有功功率功率測(cè)量電路分別如下圖3-5、3-6、3-7所示。路3.5DC-DC降壓在輸入交流電壓超過(guò)25.5V時(shí)，采用UCC28019A控制的Boost升壓電路將會(huì)在36V以上。如果用線性穩(wěn)壓晶片，會(huì)對(duì)供電效率造成一定的影響，因此，Buck電壓電路的工作效率可以提高到96%。由于開(kāi)關(guān)電源需要對(duì)當(dāng)前的電壓進(jìn)行采樣，只有當(dāng)輸入電壓很高時(shí)才能使用，因此Buck電路采用了軟件閉環(huán)控制，操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，MCU的負(fù)荷很小。其DC-DC降壓電路如下圖3-8所示。3.6輸出電流測(cè)量在終端的電壓輸出端，一個(gè)100毫歐的電阻器與負(fù)載相連接，該電阻器的電壓與負(fù)載的電流成比例，并用INA282將兩端的電壓進(jìn)行微分放大，然后輸入到電壓跟蹤器中，再由AD進(jìn)行最后的輸出，再計(jì)算出負(fù)載電流。當(dāng)發(fā)現(xiàn)超過(guò)2.5A的輸出電流時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，達(dá)到過(guò)流保護(hù)的目的。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1程序流程框圖本次程序設(shè)計(jì)流程框圖如下圖4-1所示:4.2程序設(shè)計(jì)1.AD采樣顯示為了保證AD采集的穩(wěn)定性和精度，采用ADS1248作為單片機(jī)，ADS1248作為SPI接口。因此，通過(guò)MSP430的IO接口來(lái)模擬SPI的時(shí)間序列，可以讀出各個(gè)端口的AD數(shù)值。為了防止一次采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯(cuò)，程序?qū)D進(jìn)行了32次取樣，并將其平均到5位，從而提高了計(jì)算效率。以LCD12864進(jìn)行顯示，首先把每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字符串，然后把每個(gè)長(zhǎng)形數(shù)據(jù)進(jìn)行除法和余值轉(zhuǎn)化為ACILL代碼，然后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入SPI定時(shí)序列中。AD采集顯示流程如下圖4-2所示。2.PID調(diào)節(jié)當(dāng)采用功率因數(shù)精確測(cè)量時(shí)，由于僅需調(diào)整后的功率因數(shù)是穩(wěn)定的，因此采用差分和差分操作來(lái)進(jìn)行PD的調(diào)節(jié)，既能保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，又能保證系統(tǒng)的功率因數(shù)的穩(wěn)定性，相對(duì)于開(kāi)環(huán)控制來(lái)說(shuō)，更具適應(yīng)性。該方法的具體實(shí)施方法是：以測(cè)量功率因數(shù)與設(shè)置值之差為誤差，經(jīng)運(yùn)算求出誤差的比值和差分項(xiàng)的總和，作為移相電路中的數(shù)字電位器電阻的變化量，并按試驗(yàn)結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)谋壤筒顒?dòng)參數(shù)，其精度僅取決于電位器的調(diào)整精度和功率因數(shù)的測(cè)量精度，從而極大地減少了電路的非線性及參數(shù)的變化。PID調(diào)節(jié)流程如下圖4-3所示。圖4-3PID調(diào)節(jié)流程圖3.DC-DC降壓電路接入當(dāng)輸入電壓超過(guò)25.5V時(shí)，由UCC28019A控制的Boost升壓電路將會(huì)超過(guò)36V，因此必須采用DC-DC降壓電路。在UCC28019A控制的電路中，每一個(gè)大循環(huán)都會(huì)采集到UCC28019A的輸出電壓，在超過(guò)36.1V的情況下，程序中的DC-DC降壓電路與DC-DC降壓電路相連，MSP430的PWM輸出信號(hào)被打開(kāi)，DC-DC下降電路中的MOS管被控制，PD根據(jù)終端輸出的電壓值來(lái)調(diào)整PWM的輸出。5電路測(cè)試5.1測(cè)試條件及器材本次測(cè)試在室溫25度的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，器材如下表5-1所示:表5-1測(cè)試儀器表業(yè)用記錄萬(wàn)用表JMDDI克289CET5.2輸出電壓測(cè)試?yán)脭?shù)字電氣參數(shù)測(cè)定儀對(duì)輸入的各參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，調(diào)節(jié)自耦變壓器的輸出電壓，使U=24V。在這個(gè)時(shí)刻，用四比特的萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量輸出電壓，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表5-2所示。表5-2輸出電壓測(cè)試表試驗(yàn)結(jié)果顯示：在交流電壓、DC、U.=36.008V的情況下，DC/DC的DC輸出電壓U.=36.008V，滿(mǎn)足U.=36V+0.1V的基本需求，并比此指標(biāo)更好。5.3負(fù)載調(diào)整率測(cè)試采用數(shù)字電氣參數(shù)測(cè)定儀對(duì)輸入的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)自耦合變壓器進(jìn)行調(diào)整，以使輸入AC電壓Us=24V，然后利用四比特半表對(duì)輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，以使1.在0.2-2.0A之間改變，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5-3。表5-3負(fù)載調(diào)整測(cè)試表試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)直流電流為1=0.20A時(shí)，其輸出電壓U.=36.016V。在2.0A的情況下，輸出電壓Ua=36.008V，而負(fù)荷調(diào)節(jié)速率S=0.02%，滿(mǎn)足和超過(guò)基礎(chǔ)需求負(fù)荷調(diào)節(jié)速率。5.4電壓調(diào)整率測(cè)試用數(shù)字式電參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量輸入端的參數(shù)，調(diào)整負(fù)載，使得輸出電流1=2.0A，通過(guò)調(diào)整自耦變壓器的輸出電壓U，在20~30V范圍內(nèi)變化，使用四位半萬(wàn)用表測(cè)量此時(shí)的輸出電壓，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5-4。表5-4電壓調(diào)整率測(cè)試表實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在輸入交流電壓為U=20.0V，時(shí)的輸出電壓為U=39.96V，在輸入交流電壓U=30.0V時(shí)的輸出電壓為0=35.97V，通過(guò)代入電壓調(diào)整率公式得出電壓調(diào)整率為s=0.028%，符合基本要求的電壓調(diào)整率小于等于0.5%，并且優(yōu)于該指標(biāo)。5.5功率因數(shù)測(cè)試用數(shù)字式電參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量輸入端的參數(shù)，調(diào)整自耦變壓器使得輸入交流電壓U，=24V，調(diào)整負(fù)載，使得輸出直流電流I=2.0A，使用LCD屏顯示當(dāng)前單片機(jī)計(jì)算得出的功率因數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5-5所示。表5-5功能因素測(cè)試表由上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本此設(shè)計(jì)因數(shù)測(cè)量電路能測(cè)量并顯示出功率因數(shù)，誤差為0.003，符合其基本不大于0.03的要求。本電路由于是具有功率因數(shù)可調(diào)電路,因此,可以作為模擬低功率因數(shù)電路使用[15]。5.6過(guò)流保護(hù)測(cè)試用四位半萬(wàn)用表測(cè)量輸出電流，通過(guò)調(diào)整負(fù)載使得輸出電流。從0.2A緩慢上升至保護(hù)動(dòng)作電流，記錄當(dāng)前的電流，通過(guò)測(cè)試，測(cè)得過(guò)流保護(hù)電流為2.6A，符合基本要求動(dòng)作電流為2.5A±0.2A。5.7AC-DC性能測(cè)試用數(shù)字式電參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量輸入端的參數(shù)，調(diào)整自耦變壓器的輸出電壓，使得U=24V，用四位半萬(wàn)用表測(cè)量輸出電流和輸出電壓，通過(guò)調(diào)整負(fù)載，使得I。=2A,U=36V，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5-6所示。表5-6AC-DC性能測(cè)試表實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Us=24V,Io=2A,Uo=36V條件下，根據(jù)η=Po/Ps×100%，得出AC-DC變換電路的效率為96.7%，遠(yuǎn)大于規(guī)定中不低于95%的要求。結(jié)論本系統(tǒng)采用UCC28019A芯片及外圍電路、MSP