2013年全国大学生电子设计竞赛单相AC-DC变换电路（A题）【本科组】2013年9月7日摘要：本电路将市电经变压器降压得到24V交流电，经过AC-DC变换电路、Boost电路，输出36V直流恒压电源。
采用有源功率因素校正（APFC）技术，通过430单片机产生的PWM控制开关管IGBT的开关频率，控制输出电压大小。
同时，利用电压外环将输出电压稳定在额定范围内，电流内环反馈跟踪相位校正功率因数。
关键词：AC-DC变换，有源功率因素校正，MSP430，PWM控制，PI调节Abstract: This circuit output the 24V alternating current by step-down transformer, After AC-DC transform circuit, Boost circuit, output 36V DC constant voltage power supply. The active power factor correction (APFC) technology，PWM control switch frequency tube IGBT produced by 430 MCU, can control the output voltage.At the same time, the voltage outer loop will be stable output voltage within the rated range, current feedback tracing phase power factor correction.Key word: AC-DC Convert，APFC，MSP430，PWM control，Proportional Integral Control,- 1 -目录1．设计任务与要技术指标 (1)1．1设计任务（见附录1） (1)1．2技术指标（见附录1） (1)1．3题目分析 (1)2．方案比较与论证 (1)2. 1各种方案比较与选择 (1)2. 1. 1 AC-DC转换电路拓扑结构及控制方案比较： (1)2.1.2过流保护方案比较： (3)2. 2方案选择： (3)3．理论分析计算 (4)3．1提高效率的方法 (4)3．2功率因数的调整方法 (4)3．3稳压控制方法 (5)4．电路与程序设计 (6)4．1主电路与器件选择 (6)4.1.1设计思想： (6)4.1.2主电路图： (6)4.1.3器件选择 (7)4．2控制电路与控制程序 (9)4．2．1测控及驱动电路 (9)4．2．2控制程序 (10)4．2．3程序清单(见附录2) (11)4．3保护电路 (11)5．测试方案与测试 (11)5．1测试方案及测试条件 (11)5．1．1硬件测试 (11)5．1．2软件测试 (11)5．1．3系统测试 (12)5．1．4测试条件与测试仪器 (12)5．2测试结果及其完整性 (13)5．2．1测试结果（基本要求测试） (13)5．2．2测试结果（发挥部分测试） (14)5．3测试结果与分析 (15)6.附录1 (16)7附录2 (17)8.参考文献 (21)1．设计任务与要技术指标1．1设计任务（见附录1）1．2技术指标（见附录1）1．3题目分析AC/DC变换电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备，被广泛应用在小功率及各种电子设备领域，对于AC/DC电路，可以变换的主要对象是电压和电流。
本次设计任务需要输出稳定的36V直流稳压电源，输出的电流额定值为2A，具有输出过流保护功能，同时还对输入功率有很高的要求，并能够实现功率因数校正。
此次设计的关键是在电路中电流要紧跟随电压的变化，从而实现对功率因数的调节，而难点在于要在动态的电路中对电流、电压进行测量、采样，送入单片机进行计算，在采样过程中有电流、电压的滞后与超前，需要对电流与电压进行复杂的运算，使输出的直流稳压电源满足标准。
2．方案比较与论证2. 1各种方案比较与选择2. 1. 1 AC-DC转换电路拓扑结构及控制方案比较：方案一：使用单相桥式全控整流电路，每一个导电回路中有两个晶闸管，即用两个晶闸管同时导通以控制导电回路。
使用IR2136驱动芯片控制四个开关管IGBT的开通与关断，使电路能够稳定输出36V稳压电源。
通过采样电流跟随放大在与输出电压相比较，再经过滞环，实现电路功率因数的调节。
工作过程为：电路接通后电压源稳定输出为36V，通过采样电压Uref与给定电压Ud求差比较，通过PI调节计算，与输出参考电流Iref与反馈电压比较，经过滞环使输入量的增加方向、减小方向到达同一量，产生PWM信号送到单片机，使输出电流相位跟随电压的变化，保证输出功率因数接近1，并使输出的电压满足指标要求。
图1 方案一电路示意图方案二：将220V电压经变压器转换得到24V交流电，经过整流模块输出直流，再通过Boost升压电路，选用IR2132驱动芯片控制电路的一路开关管的开通关断，改变电路中的控制输出电压，使电路输出36V直流稳压电源。
工作过程为：电路接通后，220V交流电压经过变压，整流，通过控制输入信号的占空，控制MOS管的开通关断时间，调节负载电压的大小。
用霍尔测量电路电压、电流，A/D模块采集电压与电流瞬时值，用PI调节算法通过单片机，使电流跟随电压的变化，实现对功率因数的调节，并控制输出稳定的电压。
图2 方案二电路示意图2.1.2过流保护方案比较：方案一：在输出电路中串入可自恢复保险丝，当电流大于2.5A时，自恢复保险丝由低阻抗转为高阻抗切断电路，电流降低后可恢复正常工作。
方案二：通过霍尔测量采样电阻两端计算出Io值，经A/D转换模块将电流值反馈给单片机，当检测电流值超过2.5A时，给主电路的断路器一个关断信号，切断主电路电源。
2.2方案选择：方案一在控制电路中电流闭环系统构造复杂，对实现电路的功率因数的调节有很大影响。
结合现有实验条件，选择方案2进行具体设计。
图3 系统工作原理图电路接通后，220V交流电压经过变压，整流，输出直流电压，用霍尔测量采样电路电压u d*和实际直流电压u d比较后送入电压调节器，调节器输出直流电流指令信号i d，i d 和整流后的正弦电压相乘得到直流输入电流的波形指令信号i* ,该指令信号和实际电感电流信号比较后，再经过PI运算，便可输入直流电流跟踪指令值，这样交流测的电流波形将近似成为与交流电压同相的正弦波，使功率因数接近为1。
3．理论分析计算3．1提高效率的方法提高转换电路效率的方法，就要尽可能减少电路的各种损耗。
由于本电路对效率的要求很高，要达到95%以上，所以要考虑电路各个元器件的损耗。
（1）硬件方面：在主电路上更换较粗的电源线减少电线的内阻损耗；在选择电感，要选取粗的漆包线降低电感的电阻，选择专用的铁芯，以降低磁通密度，从而降低电感的损耗。
开关管的选取，选择开通频率高通态损耗低的开关管，一般选用ＭＯＳＦＥＴ开关管。
当开关管的开通关断频率低可忽略开关损耗，如果在高频的情况下，考虑开关损耗。
在开关管两端加上软开关，可以显著降低了开关损耗。
（2）软件方面：通过软件的调节，是电压跟随电流变化，提高电路的功率因素，降低输入主电路的谐波，减少电流在电路中的损耗，从而提高电路的转换效率。
3．2功率因数的调整方法开关电源电路中，电路的功率因数是由电压和电流的相位差φ决定，其值为cosΦ=P/S，采用功率因数校正（Power Factor Correction ，PFC）,调整功率因数，对电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波，根据采用的具体方法不同，可分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。
无源功率因数校正技术通过在二极管整流中增加电感、电容等无源原件和二极管原件，对电路的电流脉冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。
这种方法的优点是简单、可靠，无需进行控制，而缺点是增加的无源原件一般体积比较大，成本比较高，而且功率因数仅能校正至0.8左右，明显不能满足要求。
有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相的正弦波，功率因数能够高达0.995，完全满足题目的要求。
图4为降压型有源PFC电路，图5为升压压型有源PFC 电路图4降压型有源PFC电路图5压压型有源PFC电路3．3稳压控制方法电路稳定电压的方法：（1）硬件稳压：在转换电路中，合理的增加电感和电容的数值，让二者相互匹配，从而使电路达到稳压的效果。
（2）软件稳压：在单片机内用PI运算。
经过采样电路得到负载两端的电压，采样电路电压u d*和实际直流电压u d比较后送入电压调节器，经过A/D转换给单片机，与给定电压值进行PI调节，控制输出PWM波的占空比，使负载两端电压稳定给定值。
即经过电压闭环的PI控制形成的PWM波，稳定负载两端的电压.4．电路与程序设计4．1主电路与器件选择4.1.1设计思想：本系统是一个输出36V的直流稳压电源，设计思想符合如下几条标准：（1）.尽量采用简洁可靠的软硬件环境，程序流程力求简单明了，从而充分利用现有资源，提高系统开发水平。
（2）.系统硬件电路模块化，便于硬件测试和电路查询。
（3）系统程序设计模块化，便于系统功能的各种组合和修改。
4.1.2主电路图：主电路电源部分是由交流220V经过隔离部分、变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
图6主电路图4.1.3器件选择为整个系统提供工作电压，确保电路的正常稳定工作。
变压这部分电路比较简单，由可调变压器直接变压输出得到24V交流，芯片电源由三端稳压电源稳压得到，稳压芯片选用的是LM78系列LM79系列提供+5V、±15V电源。
整流部分选用KBPC3510整流桥，其耐压最高可达1000V，最大电流达3，5A，频率特性为中频，完全满足本电路的参数要求。
MOS管的选型。
该电路中，MOS管要承受的最大电压值为36V,流过的电流最大值为2.5A，而且，开关整流电路效率的高低主要取决于调整管的调整效率，而调整效率的高低取决于调整管功率损耗的大小。
我们考虑的型号是IRF640和IRF3205，IRF640承受的最大电压值为200V，承受的最大的电流值为10A。
IRF3205承受的最大电压是55V，电流的最大值是110A。
经过实际测试，发现它们都能够满足要求，但是IRF3205的功率损耗更小，所以结合现有的实验室条件，选择IRF3205作为实际电路中应用的MOS管。
续流二极管的选择。
续流二极管Vd 的最大峰值电流容量也等于电感器中的最大峰值电流，电压额定值要大于额定电压，因此选取RU4AM 反向电压600伏，正向电流2A ，带散热器可大3.5A ，满足电路的要求。