学校统一编号 HIT-A-003
学校名称 哈尔滨工业大学 队长姓名 队员姓名 指导教师姓名 2013年9月7日
摘 要
本系统以AVR ATmega16 单片机为控制核心，结合MOSFET驱动器IR2102，低导通电阻功率MOSFET IRF3205制作了一台具有自动稳压功能的AC-DC变换装置，DC-DC部分采用Boost拓扑结构，实现了AC（20~30 V）-DC（36 V）转换。负载调整率、电压调整率分别达到了2.7%和1.3%，较好地完成了基本要求。此外，给出了功率因数调整和校正的基本方法和结构框图。 关键词：AC-DC；功率因数调整；Boost电路
目 录
一、 设计任务．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
1.1 基本要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
1.2 发挥部分．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
二、方案论证与比较．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.1 AC-DC整流电路的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.2 DC-DC主回路拓扑的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.3 处理器的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.4 反馈稳压方案选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.5 过流保护方案选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.6 功率因数测量方案选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.7 功率因数调整方案选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.8 系统框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 三、理论分析与计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
3.1 提高效率的方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 3.2 功率因数调整方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 3.3 稳压控制方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 3.4 AC-DC主回路与器件选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.5 DC-DC主回路与器件选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.6 控制电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
3.7 辅助电源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 3.8 电压测控电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 3.9 软件与程序设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
四、测试结果与误差分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
4.1 测试仪器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 4.2 测试方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
4.3 测试数据．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 4.4 测试结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
五、结论与心得体会．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17 附录1 总电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18 附录2 元器件清单．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 附录3 程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
单相AC-DC变换电路（A题）
【本科组】
一、设计任务
设计并制作如图1所示的单相AC-DC变换电路。输出直流电压稳定在36 V，输出电流额定值为2 A。
图1 单相AC-DC变换电路原理框图
1.1 基本要求
（1）在输入交流电压 Us=24V、输出直流电流 Io=2A 条件下，使输出直流电压Uo=36V±0.1V。
（2）当 Us=24V，Io 在 0.2A～2.0A 范围内变化时，负载调整率 SI ≤0.5%。 （3）当 Io=2A，Us 在 20V～30V 范围内变化时，电压调整率 SU ≤ 0.5%。 （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。
（5）具有输出过流保护功能，动作电流为2.5A±0.2A。 1.2 发挥部分
（1）实现功率因数校正，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。
（2）在 Us=24V，Io=2A，Uo=36V 条件下，使 AC-DC 变换电路效率不低于95%。
（3）能够根据设定自动调整功率因数，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。
（4）其他。
二、方案论证与比较
2.1 AC-DC整流电路的选择
（1）全桥整流。该电路由四个二极管以及LC滤波元件构成。变压器绕组结
构简单，二极管电压低。但是二极管数量多，总通态损耗大。
（2）半桥整流。该电路由两个二极管以及LC滤波元件构成。元件总数少，
结构简单，总通态损耗小。但是二极管电压高，变压器绕组需要中心抽头。
本题中变压器无中心抽头，只能选择方案（1）。 2.2 DC-DC主回路拓扑的选择
（1）Buck-Boost型电路。既能降压也能升压，输出与输入极性相反，输入输出电流脉动大，结构简单，只需要一只开关管。输出空载时，会产生很高的电压造成电路中元器件的损坏，故不能空载工作。
（2）前级Boost，后级Buck。将升降压的功能分成两个模块，使用的元器件数量较多，损耗也相对较大。但是这种方案有利于AC/DC变换器功率因数的调整。
（3）单级Boost电路。方案简单，驱动方便，效率较高。但是由于任务要求输入电压 ??I为AC 20 ~30V范围内变化时，输出直流电压稳定在36V，因此使用
单级Boost电路有可能不能满足要求。不过在重载条件下，整流后电压下降较大，经实验验证效果较好。
选择方案（3）。 2.3 处理器的选择
（1）采用STC 12C5A16S2单片机。STC 12C5A16S2单片机是台湾宏晶公司2010年推出的新一代抗干扰，高速，高可靠性，低功耗的微控制器，其编程语言完全兼容传统8051单片机。
（2）采用ATmega16单片机。ATmega16单片机是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。片内具有16K可编程Flash，8路10位ADC，四通道PWM，功能强大，开发成本低。
在同样的晶振频率下，方案（2）有更高的性能和更低的功耗，因此可以降低运行频率以减少对电路的电磁干扰。因此选用方案（2）。
2.4 反馈稳压方案选择
使用单片机ATmega16实时检测输出电压，由于输出电压与PWM波的占空
比成正比，若测得的电压高于8 V，则减小占空比；反之，则增加占空比。设置一个阈值电压差e，当前电压差小于e时不进行调节，从而避免反复调节造成电压波动。
2.5 过流保护方案选择
采用硬件实现过流保护。将一个动作电流为2.5A的自恢复保险丝串联在输
出回路中。电流未达到动作电流时，其电阻很小，造成的功率损耗也较小；当电流过大时其电阻急剧上升，以减小电流，防止造成负载损坏。
2.6 功率因数测量方案选择
（1）以过零点相位比较法为代表的直接测量法。其主要依靠硬件装置来实
现计算，受硬件本身的影响较大，并且由于谐波和干扰的存在，过零点的准确度难以保证。其测量框图如图2。
（2）以谐波分析法为代表的软件检测分析方法。其根据谐波分析得到的i
和u的正弦波形参数，求得φ，继而求得cosφ。这种方法有较好的抗干扰性和稳定性，还可以同时计算电网中电流、电压及其各次谐波的值，从而为功率因数调节提供监控的依据。
图2 功率因数测量方案
2.7 功率因数调整（PFC）方案选择
（1）无源PFC方案。采用无源元件来改善输入功率因数，减小电流谐波，以满足要求，其特点是简单，但体积庞大、笨重，而且调整后的功率因数只能达到0.7~ 0.8左右。
（2）有源PFC方案。在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功率变换电路，具有体积小、重量轻的特点，可以达到较高的功率因数（通常可达0.98以上），但成本也相对较高。具体实现方法有以下几种：
a. 采用DSP和Boost电路实现：通过DSP编程控制完成系统的功率因数调整。通过软件调整控制参数，使系统调试方便，减少了元器件的数量以及材料、装配的成本；但是软件编程困难，采样算法复杂，计算量大，难以达到很高的采样频率，此外还要注意控制器和主电路的隔离和驱动。
b. 如图3，采用UC3854和Boost电路实现：UC3854是一种平均电流型的升压型有源功率因数校正电路。使用专用IC芯片，无须编程，简单直接；但是电路的外围器件很多，调试困难。
c. 采用UC28019和Boost电路实现：UCC28019也是一种平均电流型的功率因数校正芯片。该芯片使输入电流的跟踪误差产生的畸变小于1%，实现了接近于1的功率因数，外围器件相对b较少。
以上三种方案只有方案（2a）可实现发挥部分“能够根据设定自动调整功率因数”的要求，但是其算法在短时间内实现难度较大。
图3 功率因数调整方案框图
2.8 系统框图
由于时间仓促，系统仅实现了要求中的部分功能。上交作品的系统结构框图
如图4。
图4 系统框图
三、理论分析与计算
3.1 提高效率的方法
系统的损耗分为三部分：传输损耗、开关损耗及其他损耗。 为了提高效率，可以采取如下措施：
（1）降低开关频率。开关频率过高，开关管的损耗将会很大；开关频率过
全国大学生电子设计竞赛单相ACDC变换电路A题
