單相電AC-DC轉換電路的設計

曲阜師范大學計算機科學學院 明利濤

1.整體方案設計

本方案通過有源功率因數校正技術與BOOST電路共同構成AC-DC轉換電路，通過反饋信號使UCC28019芯片在GATE端生成一定占空比的方波，從而驅動大容量MOSFET的柵極改變其導通率，進而完成輸出電壓的穩(wěn)定。同時采用A/D進行負載端采樣并將采樣結果送入單片機，當檢測到負載兩端電流超過2.5A，單片機就會相應地輸出觸發(fā)信號控制繼電器的開關，使其斷開主電路線路達到過流保護作用。

系統(tǒng)有四個模塊電路構成：變壓模塊，整流濾波模塊，DC-DC轉換模塊，PFC校正和顯示模塊。其結構框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.組成模塊方案

本設計中核心是采用PFC功率因數校正技術，因此主要對PFC控制方案的選取進行論證。

2.1 DC-DC變換方案

采用帶PFC的Boost型DC-DC升壓器。該電路有專用的控制芯片，容易實現，電路結構簡單，同時采用PFC功率因數校正技術，功耗低，輸出電壓范圍寬。輸出電壓波形中毛刺也比方案一要小。

2.2 功率因數校正控制方案

本設計中引用PFC功率因數校正技術主要目的：一是通過調節(jié)UCC28019芯片中的電流誤差放大器的輸入來功率因數；二是通過監(jiān)測電路，根據監(jiān)測結果運用控制電路來調節(jié)PFC控制芯片UCC28019的電壓誤差放大器大小，從而穩(wěn)定輸出電壓。

采用BOOST+UCC28019實現。UCC28019是一種采用平均電流模式對功率因數進行校正的芯片，該芯片使輸入電流的跟蹤誤差產生的畸變小于1%，實現了接近于l的功率因數。該方案步驟少，外圍電路簡單，調試方便，只需調節(jié)放大器的補償網絡且方案已經相當成熟。

2.3 顯示器模塊

使用LCD顯示。LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示漢字數字，分辨率高，抗干擾能力強，功耗小，且設計簡單等特點。采用1602液晶顯示器，可根據需要同時顯示功率因數與采樣電流、電壓。

3.理論分析與計算

3.1 提高效率方法

在電源設計中由于開關損耗和器件導通損耗及其他損耗，使得電源電路的高效率要求一直很難達到。當效率達到一定效果時，再提高其效率就比較難了。常用的移相零電壓開關，同步整流的方法在提高效率上雖然有所提高，但付出了很大的代價。在效率方面，由于非穩(wěn)壓的高于穩(wěn)壓的、非隔離的高于隔離的、窄電壓范圍的高于寬電壓的，因此解決提高效率問題上可以用方案：PFC+非穩(wěn)壓半橋變換器+肖特基整流二極管。

PFC可以起到穩(wěn)壓，與后級電路隔離的作用；非穩(wěn)壓半橋變換器通過變換導通兩個開關管來實現零電壓開關，使開關管的損耗幾乎僅為導通損耗，從而大大降低損耗提高了效率。

3.2 功率因數調整方法

本系統(tǒng)的功率因數調整采用專門的PFC芯片，通過取樣電阻的負極性電壓信號經反向器后與斜坡信號發(fā)生器進行比較，經SR觸發(fā)器在與內部65K振蕩器一起控制PWM的占空比，從而控制功率開關器件通斷。ICOMP的電壓迫使電感電流跟隨輸入電壓波形，使輸入電流波形與電壓同相，從而實現功率因數校正。

圖2 功率因數測量電路

4.硬件電路

4.1 功率因數測量電路設計

如圖2所示，功率因數測量電路設計思路是計算電壓與電流的相位差，再根據功率因數公式求得，交流電經電壓、電流互感器減弱，再經過零比較整形與D觸發(fā)器合成方波送入單片機計算求出結果。

4.2 PFC及過流保護電路設計

圖3 過流保護電路

圖4 穩(wěn)壓電路

4.3 電源電路設計

在本設計中，運放需±15V供電，單片機需、A/D、D/A需+5V供電，采用三端穩(wěn)壓器7805、78H15、79H15構成一穩(wěn)壓電源，題目要求輸出電流范圍是200mA～2000mA，而78H、79H系列穩(wěn)壓器輸出電流最大可以達到5A，能為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。穩(wěn)壓電路如圖4所示：考慮系統(tǒng)對功率要求較高，所以在設計中選取了輸出功率50W的變壓器，輸入電壓由變壓器和全波整流濾波電路產生。

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