毕业论文单项ACDC变换电路

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1、单相AC-DC变换电路（A题）【本科组】摘要：本设计实现了单相AC-DC变换电路功能并具有过流保护和功率因数检测及补偿功能。设计由隔离变压器、整流滤波电路、过流保护电路、功率因数调整模块、DC-DC变换模块等部分构成。采用L6562实现功率因数检测与调整功能；采用L6599作为DC-DC变换器主电路，实现升压功能，并产生PWM脉冲信号；通过实际测试，作品的性能指标中，在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A条件下，输出直流电压Uo=36V0.1V。输出电压完全达到了要求；当Us=24V，Io在0.2A2.0A范围内变化时，负载调整率SI 0.5% ；当Io=2A，Us在20V30V范

2、围内变化时，电压调整率SU 0.5% ，负载过流故障排除后自恢复功能，功率因数校正达到要求。关键字：单相AC-DC变换；升压调整；功率因数调整一、作品介绍 设计并了制作如图1所示的单相AC-DC变换电路，输出直流电压稳定在36 V，输出额定电流值为2 A。 图1 单相AC-DC变换电路原理框图 基本要求实现了（1）在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A条件下，输出直流电压Uo=36V 0.1V。 （2）当Us=24V，Io在0.2A2.0A范围内变化时，负载调整率SI 0.5%。 （3）当Io=2A，Us在20V30V范围内变化时，电压调整率SU 0.5%。 （4）设计并制作功率因

3、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2.5A0.2A。 发挥部分实现（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0.801.00，稳态误差绝对值不大于0.03。 二、方案设计及论证1.1 系统总体设计方案本设计由以下几大部分组成：隔离变压器、整流滤波电路、过流保护电路、功率

4、因数调整模块、DC-DC变换模块等构成，如图2所示。 图2 系统组成框图1.2 DC-DC主回路拓扑方案论证方案一：PWM开关变压器一般有3种应用形式：降压变换器、升压变换器和逆向变换器。MAX724是一个完全的单芯片系统，内部集成了一个100khz振荡器、控制电路 和限流电路，以及一个5A的功率开关。因此只需很少的外围电路就可以构成一个DC/DC直流变换器。MAX724的外部输出反馈到， 其与参考源的误差经误差放大器放大后控制振荡器产生的波形的占空因数，从而控制开关的通断比，达到控制输出电压的目的。由于MAX724精巧设计，最大占空因数可达到约93%。 限流比较器则提供了限流保护功能，一旦电

5、流超过阈值，开关将在600ns内断开。MAX724的电流阈值为6.5A；性能优异，使用方便的单片双极性开关模式DC/DC变换器。支持高达40V的输入电压，输出2.5V35V可调，100kHz开关频率，良好的动态和暂态特性，8.5静态电流。方案二：采用非隔离型BOOST升压电路，控制电路用专用集成芯片L6599，L6599是一个双端输出的控制器。它专为谐振半桥拓朴设计，提供两个50%的互补的占空比。高边开关和低边开关输出相位差180,输出电压的调节用调制工作频率来得到。两个开关的开启关断之间有一个固定的死区时间，以确保软开关及高频下可靠工作。为使高边驱动采用高压电平位移的结构具有600V耐压，用

6、高压MOSFET取代了外部快速二极管，IC设置的工作频率范围由外部元件调节。根据设计参数要求，采用方案二。1.3功率因数检测及补偿模块的选择方案方案一：L6562是一种性能改进、成本经济、引脚兼容的功率因数校正（PFC）控制器。通过改变开关频率实现 PWM控制，L6562在线性乘法器中嵌入了THD优化电路，能有效地减小交流电压过零点时的输入电流的失真，使总谐波失真（THD）电流进一步减小；降低了待机时的能量消耗，输入电压范围：160 300Vac（即230V 30%），直流输出电压：450Vdc，额定输出功率：105W方案二：以单片机为控制核心的功率因数测量电路，采用电流和电压信号的门限电压值

7、的“过零检测”技术，实现信号功率因数的测量。该方法具有硬件电路结构简单、实用、测量精确度高、抗干扰能力强等特点，可用于各种电力应用场合的功率因数测量中。方案一采用单一集成芯片，抗干扰能力强，相应速度快，故采用方案一。二、理论分析和计算整流桥的选择：隔离变压器输出的交流电压为24V，整流桥的电流最大可达56A，为了得到较好的直流量，用全桥整流，整流桥的耐压应为50V以上，正向电流大于等于8A，实际电路中采用10A/600V整流桥。滤波电容器选择：要求输出的最大电流为2A，最大电压为36V，所以输出最大功率约为72W，按照电路效率为80计算。可得整个电路输入的功率约为90W。电路自身功率达18W，

8、根据P=U2/R,可求得整流滤波电路的等效负载电阻R6欧姆，滤波电路的基波周期10ms，按一般要求，滤波电路的时间常数CR30ms50ms，所以，滤波电容C选用4700F/50V和1000F/50V并联（考虑到有输入电流测试端口的存在）。整流滤波部分电路图见图3所示。 图3 整流滤波电路开关管的选择：功率MOSFET具有导通电阻低、负载电流大的优点。栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对栅极等效电容（CEI）的充放电。流经MOS管的电流理论平均值：ID=TOFFIO/T=IO VO / Vi5A。所以，MOSFET应选用平均电流大于10A、电压大于50V的管子，实际选用

9、IRF540N，IF=28A、VR=100V、PD=150W、RDS(ON)=0.077。升压二极管的选择：二极管要采用正向电压降低，反向恢复时间短的二极管，所以选用反向恢复时间为60us以下、反向耐压为45V以上的肖特基二极管。它是一种低功耗、超高速半导体器件，可大幅降低开关损耗并提高开关频率。实际电路中选用L6599：IF=15A、VR=45V。主储能电感器L1的制作。按公式：计算得电感量应大于等于100H。实际采用38的高性能环形高频磁芯、用0.8的漆包线绕28圈。三、主要器件介绍本设计的工作原理是：交流信号经隔离变压器将交流信号提供给整流滤波电路，经过整流滤波后转变为直流信号；过流保护

10、电路测试负载回路中的电流的大小，当输出达到2.5A0.2A时启动过流保护装置，过流保护电路输出的直流信号送入功率因数调整电路，进行功率因数检测与校正，同时过流保护电路的输出与功率因数调整电路的输出一并送入DC-DC变换电路，该电路实现直流电压的升压功能。3.1 L6562Boost是一种升压电路，这种电路的优点是可以使输入电流连续，并且在整个输入电压的正弦周期都可以调制，因此可获得很高的功率因数；该电路的电感电流即为输入电流，因而容易调节；同时开关管门极驱动信号地与输出共地，故驱动简单；此外，由于输入电流连续，开关管的电流峰值较小，因此，对输入电压变化适应性强，L6562是一种Boost电路。

11、Boost电路拓扑如图4所示。图中，当开关管T导通时，电流，IL流过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储存在电感线圈中，此时，电容Cout放电为负载提供能量；而当开关管T关断时，由于线圈中的磁能将改变线圈L两端的电压VL卡及性，以保持其电流IL不突变。这样，线圈L转化的电压VL与电源Vin串联，并以高于输出的电压向电容和负载供电，如图5所示是其电压和电流的关系图。图中，Vcont为功率开关MOSFET的控制信号，VI为MOFET两端的电压，ID为流过二极管D的电流。以电流，IL作为区分，Boost电路的工作模式可分为连续模式、断续模式和临界模式三种。 图4 Boos

12、t电路拓扑图 图5 Boost电路电压和电流的关系图利用Boost电路实现高功率因数的原理是使输入电流跟随输入电压，并获得期望的输出电压。因此，控制电路所需的参量包括即时输入电压、输入电流及输出电压。乘法器连接输入电流控制部分和输出电压控制部分，输出正弦信号。当输出电压偏离期望值，如输出电压跌落时，电压控制环节的输出电压增加，使乘法器的输出也相应增加，从而使输入电流有效值也相应增加，以提供足够的能量。在此类控制模型中，输入电流的有效值由输出电压控制环节实现调制，而输入电流控制环节使输入电流保持正弦规律变化，从而跟踪输入电压。3.2 L6599L6599是一个双端输出的控制器。它专为谐振半桥拓朴

13、设计，提供两个50%的互补的占空比。高边开关和低边开关输出相位差180,输出电压的调节用调制工作频率来得到。两个开关的开启关断之间有一个固定的死区时间，以确保软开关及高频下可靠工作。为使高边驱动采用高压电平位移的结构具有600V耐压，用高压MOSFET取代了外部快速二极管，IC设置的工作频率范围由外部元件调节。起动时为防止失控的冲击电流，开关频率从设置的最大值开始逐渐衰减直到由控制环路给出的稳定状态，这个频率的移动不是线性的，用来减小输出电压的过冲，做到更好的调节。在轻载时，IC可以强制进入到控制为猝发模式工作，用以保持空载时的最低功耗。IC的功能包括非锁定低边禁止输入以实现OCP，具有频率移

14、动及延迟关断，然后再自动重新起动。更高水平的OCP在第一保护电平不足时可锁住IC以控制初级电流。它结合了完整的应对过载及短路的保护，此外锁住禁止输入(DIS)可以很容易地改善OTP及OVP。与PFC的接口处提供了PFC预调整器在故障时的使能端子，这些故障包括OCP，在猝发模式时令DIS为高电平。 L6599的内部升压电路为：二极管用于防止任何从VBOOT端返回Vcc的电流，在内部电容没有完全放电之前，可迅速将其关断。为驱动同步DMOS，它需要一个高于电源电压Vcc的电压，此电压由内部充电泵来完成；升压驱动结构在给CBOOT重新充电时插入了电压降，它随工作频率的增加而增加，还随外部功率MOSFE

15、T的栅驱动功率增加，相当于MOSFET的RDS(ON) 的压降和串联二极管正向压降之和。在低频工作时，此压降很小，可以忽略不计，但随工作频率的升高，必须计及此压降。实际上，此压降减少了驱动高边MOSFET信号的电压幅度，此驱动电压幅度的减少会使高边MOSFET的RDS(ON) 增大，从而损耗加大。这个概念应用于变换器的设计，在高的谐振频率时（150KHz）,特别是高频满载时。另一方面，在高频轻载时，电流流过半桥低边MOSFET的通道时，RDS(ON) 的增大可以不顾及。当然，检查这一点用任何方法都是合理的，下面的公式用于计算升压驱动器的压降。 此处，Qg是外部功率MOSFET的栅电荷，r DS

16、(ON) 是升压DMOS的导通电阻，典型值（150），T chrge是升压驱动的导通时间。它等于1/2的开关周期，减去死区时间TD。例如，用的MOSFET的栅电荷为30nc，升压驱动器在开关频率200KHz时压降为3V。 如果升压驱动器的有效压降可忽略，采用外部超快二极管，也可省去内部DMOS的压降。4、 电路设计系统电路设计见附录2所示。五、测试方案与测试结果1.测试仪器滑动变阻器7-16 ；万用表DT890B+、VC9807A+、VC9802A+ ；20MHZ示波器 DF4326 ；单相交流调压器R6001。2.测试方法（1）输出直流电压的测量在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=

17、2A条件下，用万用表测试输出直流电压值见表1所示。表1输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A时输出的直流电压值输出直流电压 35.91V36.0736.0136.05误差 0.25%0.19%0.02%0.13% 平均误差为0.14%，满足Uo=36V0.1V的要求。（2） 负载调整率的测试 在隔离变压器输出为24V、输出直流电压36V，分别测量负载电流为0.2A和2.0A所对应的输出电压值。负载调整率就是输出电压的相对变化量与标准电压的比值，负载调整率的测试参数见表2所示。表2负载调整率的测试(U=24V、Uo36V)负载电流（A）2.0A0.2A输出电压（V）35.9936.11

18、 负载调整率=0.3 %，满足负载调整率0.5%的要求。（3） 电压调整率的测试 当Io=2A，在隔离变压器输出Us在20V30V范围内变化时，测试US=20V时的输出电压UO1与US=30V时的输出电压UO2 ，测量结果见表3所示。电压调整率的计算公式为SU =（UO2-UO1）/36*100% 表3 电压调整率的测试(IO=2.0A)变压器输出电压（V）202530直流稳压电路输出电压（V） 35.9835. 97 36.02电压调整率=0.14%，满足电压调整率 0.5%。的要求。（4）功率因数测试 在Us=24V，Io=2A，Uo=36V条件下，通过示波器查看输入功率，输出功率见表4所

19、示。表4 输入与输出功率测量输入功率（W）33.9534.0234.05输出功率（W）72.0571.9771.93 平均输入功率=34.006W，平均输入功率.=71.98W使AC-DC变换电路交流输入侧功率因数不低于0.98。 （5）DC-DC变换器效率的测试在隔离变压器输出为24V, 直流输出电压为36V、输出电流为2A的条件下，测得输入电压Ui和输入电流Ii的直流平均值，效率(UoIo/UiIi)100 。测试结果见表5所示。 表5 DC-DC变换器效率的测量(U2=24V、IO=2A、UO=36V)输入电压（V） 23.92输入电流（A） 4.08输出电压（V） 35.97输出电流（

20、A） 2.02 效率 93.2%(6) 过流保护测试当负载电流超过2.5A时，输出电压降到约05V(取决于负载阻抗大小)，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常工作状态。六、结论 通过实际测试可以看出，如下几项指标达到了；电压调整率，整体效率，负载过流故障排除后自恢复功能，负载调整率。另外，实现了功率因数检测电路的功能，但精度没有达到指标要求。 通过本次设计，懂得了制作过程中电路处理的方法，DC-DC转换电路选择与论证和各模块方案设计与论证，更进一步的了解到DC-DC转换电路的工作原理以及它的要求和性能指标，也让我们认识到在此次设计电路中所在的问题；而通过不断的努力去解决这些问题。参考文献1 胡

21、晏如 耿苏燕. 模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2004.2 谢维成 杨加国. 单片机原理与应用及C51程序设计. 北京：清华大学出 版社，2009.7.3 谭浩强. C语言程序设计(第三版). 北京：清华大学出版社,2005.4 康华光. 电子基础(模拟部分). 北京：高等教育出版社. 2001-4.5 康华光. 电子基础(数字部分). 北京：高等教育出版社. 2001-4.附录：附1重要元器件清单 表1 元器件清单表元器件型号数量功率因数检测L6562 1DC-DC转换器L6599 1三极管MMBT5551 2CMOS管STP40FN06 1电流互感器HTTA-226B 1附录2 系统电路接线图 14