2020年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽：單相在線式不間斷電源
2022-06-16
概述 2020年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽基本落下帷幕。 上一篇出了：「電賽分享」電源題，省一等獎！本篇主要是關(guān)于B題：單相在線式不間斷電源。
此電源系統(tǒng)的大體電路模塊可分為控制電路、整流電路、Boost升壓電路、單相逆變電路、交流直流采樣電路、輔助電源電路。 經(jīng)過分析，系統(tǒng)以STM32F103RCT6作為主控芯片，采用Boost升壓電路對輸入電壓升壓，使逆變之前的直流電壓維持在60V以上，從而使電壓和負(fù)載調(diào)整率大大提高； 采用全橋式DC-AC變換器，極大的提高電源工作效率；采用單極性SPWM調(diào)節(jié)來降低諧波分量，從而減小輸出波形的失真度；
方案分析 通過對賽題的分析研究，我們認(rèn)為，要完成題目需要滿足以下幾個指標(biāo)： 1）無論交流供電還是直流供電時，輸出電壓都要滿足=30V0.2V。 2）在指標(biāo)1的條件下單片機(jī)閉環(huán)調(diào)制使負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率盡可能低。 3）在滿足以上的的條件下，使電路整體的效率盡可能高。
圖1 系統(tǒng)整體方案圖
2.1整流方案采用全橋整流電路。全橋整流電路是對半波整流的改進(jìn)，利用二極管單向?qū)щ娦赃M(jìn)行整流。橋式整流電路克服了全波整流電路要求變壓器次級有中心抽頭和二極管承受反壓大的缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用廣泛。
2.2DC-AC變換器方案采用全橋逆變電路。全橋逆變電路中互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，而同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通，將直流電壓轉(zhuǎn)換成幅值為的交流電壓，通過改變開關(guān)的占空比改變輸出電壓。
2.3DC-DC變換器方案采用Boost升壓式DC-DC變換器。開關(guān)的開通和關(guān)斷受外部PWM信號控制，通過改變PWM控制信號的占空比可以相應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化。該電路采用直接直流升壓方式，電路結(jié)構(gòu)較為簡單，損耗較小，效率較高。
2.4PWM模式采用單極性PWM控制模式。單極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是在一個開關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開關(guān)頻率互補(bǔ)開關(guān)，保證可以得到理想的正弦輸出電壓；另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而很大程度上減小了開關(guān)損耗。 但又不是固定其中一個橋臂始終為低頻，另一個橋臂始終為高頻，而是每半個輸出電壓周期切換工作，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，在選用同樣的功率管時，能使其使用壽命均衡，增加了器件可靠性。
理論參數(shù)計算3.1 Boost升壓電路的電感電容參數(shù)計算電感計算：
其中f=1/T，電感電流變化量ΔI，K的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)值取10%-20%，為輸出電流最大值，電感要取最大值，取最大值，D取最大值。
則電容計算：
其中ESR電容等效串聯(lián)電阻，由分析得知輸入電容電流的變化量是由電感電流變化引起的，且電感電流增加量等于電容電流減少量，所以輸入電容與輸出電容的計算方法相同。3.2LC濾波電路的參數(shù)計算對于逆變器LC的選擇，對于L和C的參數(shù)：
一般取額定負(fù)載的0.4-0.8倍，一般取開關(guān)頻率的0.04-0.1倍3.3開關(guān)頻率的選擇開關(guān)頻率和MOS管的功耗有很大關(guān)系，頻率越高，產(chǎn)生的損耗就越大。在較低的電路工作頻率可以降低損耗，但是輸出電壓脈動會增大，所以選擇允許的頻率范圍內(nèi)較低的頻率。 合適的開關(guān)頻率范圍大致在10kHZ-60kHZ之間，我們本系統(tǒng)選取開關(guān)頻率為20KHZ,可以降低損耗。
硬件電路4.1整流橋與直流輸入電路全橋整流是用四個二極管將交流電轉(zhuǎn)化成直流電，電容在電路中濾波，接入下一級電路。直流輸入通過二極管進(jìn)行切換，使得在交流電輸入時直流電斷開，交流電輸入斷開的時候直流電能迅速接入電路。
圖2整流橋與直流輸入電路 4.2Boost升壓電路使用IR2104驅(qū)動電路來驅(qū)動MOS管控制其開關(guān)。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時，電感以的速度充電，把能量儲存在L中。當(dāng)開關(guān)截止時，L產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通過MOS管Q2把儲存的電能以的速度釋放到輸出電容器C2中。
圖3整流橋與直流輸入電路 4.3單相逆變電路單相全橋逆變電路由四個MOS管及其驅(qū)動輔助電路構(gòu)成，工作時Q1與Q4通斷互補(bǔ)、Q2與Q3通斷互補(bǔ)。當(dāng)Q1、Q3閉合，Q2、Q4斷開時，負(fù)載電壓Uo為正; 當(dāng)Q1、Q3斷開，Q2、Q4閉合時，負(fù)載電壓Uo為負(fù)。Q1、Q3和Q2、Q4交替導(dǎo)通，使得負(fù)載上獲得交流電能。 當(dāng)負(fù)載不是純電阻時，負(fù)載電壓和負(fù)載電流不是同相位，這時MOS管的寄生二極管D1-D4則起著電流續(xù)流的作用。
圖4單相逆變電路 4.4MOS管驅(qū)動電路MOS管驅(qū)動電路采用驅(qū)動芯片IR2104驅(qū)動外置MOS管實(shí)現(xiàn)，IR2104型半橋驅(qū)動芯片能夠驅(qū)動高端和低端兩個N溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅(qū)動電流，并具有硬件死區(qū)、硬件防同臂導(dǎo)通等功用。
圖5MOS管驅(qū)動電路 4.5信號調(diào)理電路直流采樣電路通過電阻分壓從主電路上采集電壓信號輸入，然后輸入運(yùn)算放大器，將電壓信號進(jìn)行縮小,經(jīng)過LC無源濾波器濾波后輸出0-3.3V的電壓信號，進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。
圖6直流采樣電路
軟件設(shè)計5.1整體框架
圖7對應(yīng)硬件部分
圖8對應(yīng)最小系統(tǒng)模塊 5.2系統(tǒng)思路單相逆變控制是通過STM32MCU的PWM模塊，以高頻率的可控占空比PWM(SPWM)波控制MOS管的關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)由直流轉(zhuǎn)為交流的過程。單相逆變穩(wěn)壓思路是通過采樣電路對逆變電路的輸出端進(jìn)行采樣，由MCU ADC模塊進(jìn)行采集并對其進(jìn)行PI調(diào)控后使電路電壓趨于穩(wěn)定。主程序流程圖如下圖所示：
圖9主程序流程圖
要使得輸出電壓穩(wěn)定在30V，要使逆變器的輸出=30V,利用ADC對其采樣得到輸出電壓有效值，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的實(shí)時監(jiān)測和調(diào)控。 PI穩(wěn)幅的實(shí)現(xiàn)是計算ADC采樣值與輸出電壓值的誤差,將其誤差轉(zhuǎn)化為調(diào)制載波比的增量。對載波比采用增量式PI的算法進(jìn)行調(diào)節(jié)； 通過調(diào)節(jié)調(diào)制載波比來調(diào)節(jié)輸出功率大小，當(dāng)輸出電壓>時，減少調(diào)制比載波，使輸出功率減少，使下降，當(dāng)輸出電壓
責(zé)任編輯：xj
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