2020年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽：?jiǎn)蜗嘣诰€式不間斷電源
2022-06-16
概述 2020年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽基本落下帷幕。 上一篇出了：「電賽分享」電源題，省一等獎(jiǎng)！本篇主要是關(guān)于B題：?jiǎn)蜗嘣诰€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(guò)分析，系統(tǒng)以STM32F103RCT6作為主控芯片，采用Boost升壓電路對(duì)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(lái)降低諧波分量，從而減小輸出波形的失真度；
方案分析 通過(guò)對(duì)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(gè)指標(biāo)： 1）無(wú)論交流供電還是直流供電時(shí)，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(duì)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(jí)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(duì)角的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)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(guò)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(hào)控制，通過(guò)改變PWM控制信號(hào)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(jiǎn)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(gè)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(gè)橋臂始終為低頻，另一個(gè)橋臂始終為高頻，而是每半個(gè)輸出電壓周期切換工作，這樣可以使兩個(gè)橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，在選用同樣的功率管時(shí)，能使其使用壽命均衡，增加了器件可靠性。
理論參數(shù)計(jì)算3.1 Boost升壓電路的電感電容參數(shù)計(jì)算電感計(jì)算：
其中f=1/T，電感電流變化量ΔI，K的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算方法相同。3.2LC濾波電路的參數(shù)計(jì)算對(duì)于逆變器LC的選擇，對(duì)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(dòng)會(huì)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(gè)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(jí)電路。直流輸入通過(guò)二極管進(jìn)行切換，使得在交流電輸入時(shí)直流電斷開，交流電輸入斷開的時(shí)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(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管控制其開關(guān)。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，電感以的速度充電，把能量?jī)?chǔ)存在L中。當(dāng)開關(guān)截止時(shí)，L產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通過(guò)MOS管Q2把儲(chǔ)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(gè)MOS管及其驅(qū)動(dòng)輔助電路構(gòu)成，工作時(shí)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(shí)，負(fù)載電壓Uo為正; 當(dāng)Q1、Q3斷開，Q2、Q4閉合時(shí)，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(shí)，負(fù)載電壓和負(fù)載電流不是同相位，這時(shí)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(dòng)電路MOS管驅(qū)動(dòng)電路采用驅(qū)動(dòng)芯片IR2104驅(qū)動(dòng)外置MOS管實(shí)現(xiàn)，IR2104型半橋驅(qū)動(dòng)芯片能夠驅(qū)動(dòng)高端和低端兩個(gè)N溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路 4.5信號(hào)調(diào)理電路直流采樣電路通過(guò)電阻分壓從主電路上采集電壓信號(hào)輸入，然后輸入運(yùn)算放大器，將電壓信號(hào)進(jìn)行縮小,經(jīng)過(guò)LC無(wú)源濾波器濾波后輸出0-3.3V的電壓信號(hào)，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(jì)5.1整體框架
圖7對(duì)應(yīng)硬件部分
圖8對(duì)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(guò)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(guò)程。單相逆變穩(wěn)壓思路是通過(guò)采樣電路對(duì)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(duì)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(duì)其采樣得到輸出電壓有效值，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控。 PI穩(wěn)幅的實(shí)現(xiàn)是計(jì)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(duì)載波比采用增量式PI的算法進(jìn)行調(diào)節(jié)； 通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制載波比來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率大小，當(dāng)輸出電壓>時(shí)，減少調(diào)制比載波，使輸出功率減少，使下降，當(dāng)輸出電壓
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