单相AC-DC变换电路(A题).doc

 PAGE 12 单相 AC-DC 变换电路（A题） 摘 要 本系统以ARM HYPERLINK /view/1833994.htmCortex-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，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四路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 引言 按照题目要求，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2A。满足如下指标要求： 图1 单相AC-DC变换电路 （1）能够满足当Us=24V，Io 在0.2A～2.0A 范围内变化时，负载调整率SI ≤ 0.5%； （2）当Io=2A，Us 在20V～30V 范围内变化时，电压调整率SU ≤ 0.5%。 （3）并具有输出过流保护功能，动作电流为2.5A±0.2A。 （4）设计并制作功率因数测量电路，实现AC-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=24V，Io=2A，Uo=36V 条件下，使AC-DC 变换电路交流输入侧功率因数不低于0.98。AC-DC 变换电路效率不低于95%。 方案设计 1、方案比较与论证 （1）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，每个桥臂由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V1～V4进行SPWM波控制，就可以在桥的交流输入端ab产生一个SPWM波Uab，Uab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。Uab与电网的正弦电压Us共同作用于输入电感L上，产生正弦输入电流is，Us一定，is幅值和相位仅由Uab中基波幅值及其与Us的相位差决定，通过控制整流器交流侧的电压Uab的幅值和相位，可获得所需大小和相位的输入电流is。 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目基本要求的所有功能。结合题目发挥部分对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二极管大幅减小导通损耗，提高转换效率。且题目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LC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Us，交流侧附加电感L、交流输入侧整流电路电压Uab三者之间的稳态矢量关系，（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目对稳态误差不大于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，整个系统由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