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ACDC轉換器的作用及工作原理_ACDC轉換器電路結構_ACDC變換器電路設計

佚名 發表於 2017-12-05 16:58:03

　　ACDC轉換器的作用及工作原理_ACDC轉換器電路結構_acdc轉換器電路設計

　　通俗地講，ACDC轉換器就是將交流電轉換為直流電的設備。

　　AC，即Alternating Current的英文縮寫，意思為「交流」；DC，即Direct Current的英文縮寫，意思為「直流」。

　　ACDC轉換就是通過整流電路，將交流電經過整流、濾波，從而轉換為穩定的直流電。

　　

　　AC-DC電源模塊的作用

　　一、隔離

　　1、安全隔離：強電弱電隔離\IGBT隔離驅動\浪湧隔離保護\雷電隔離保護（如人體接觸的醫療電子設備的隔離保護）

　　2、噪聲隔離：（模擬電路與數字電路隔離、強弱信號隔離）

　　3、接地環路消除：遠程信號傳輸\分布式電源供電系統

　　二、保護

　　短路保護、過壓保護、欠壓保護、過流保護、其它保護

　　三、電壓變換

　　升壓變換\降壓變換\交直流轉換（AC/DC、DC/AC）\極性變換（正負極性轉換、單電源與正負電源轉換、單電源與多電源轉換）

　　四、穩壓

　　交流市電供電\遠程直流供電\分布式電源供電系統\電池供電
 

　　ACDC轉換器電路結構全解

　　1、正激電路

　　

　　

　　2、反激電路

　　

　　

　　3、半橋電路

　　

　　

　　4、全橋電路

　　

　　

　　5、推挽電路

　　

　　

　　6、全波整流和全橋整流

　　

　　

　　

　　各種結構的比較（如下圖）

　　

　　ACDC變換電路設計（單相）

　　近幾年來，隨著電子技術和製造工藝的不斷發展和電源技術的日益成熟，人們對電源的轉換效率提出了越來越高的要求．在電氣領域中，開關電源佔據著舉足輕重的位置，高效率是未來電源發展的必然趨勢．傳統的ＡＣ－ＤＣ變換電路由於要通過高頻變壓器來實現電壓變換，很難將效率提高到更高的層次，也很難降低電源的紋波．本系統所設計的高效率的單相ＡＣ－ＤＣ變換電路，可以輸出恆定的３６Ｖ直流電壓，在額定輸出電流為２Ａ時，可實現高達９０％以上的電源轉換效率．高效率、低紋波的電源轉換不僅可以提供更加可靠的供電系統，同時也可以帶來非常可觀的經濟效益．

　　１ 系統結構設計

　　１．１ 設計任務

　　設計並製作如圖１所示的單相ＡＣ－ＤＣ變換電路．輸出直流電壓穩定在３６Ｖ，輸出電流額定值２Ａ．要求：在輸入交流電壓ＵＳ＝２４Ｖ、輸出直流電流Ｉ０＝２Ａ的條件下，使輸出直流電壓Ｕ０＝（３６±０．１）Ｖ；當ＵＳ＝２４Ｖ，Ｉ０在０．２～２．０Ａ範圍內變化時，負載調整率ＳＩ≤０．５％；當Ｉ０＝２Ａ，ＵＳ在２０～３０Ｖ範圍內變化時，電壓調整率ＳＵ≤０．５％；設計並製作功率因數測量電路，實現ＡＣ－ＤＣ變換電路輸入側功率因數的測量，測量誤差絕對值不大於０．０３；具有輸出過流保護功能，動作電流為（２．５±０．２）Ａ，在保證完成上述要求的基礎上最大限度地提高功率因數和電源的效率，能夠根據設定自動調整功率因數．

　　

　　１．２系統結構系統結構見圖２．外部２２０Ｖ交流電經過隔離變壓器變換出本設計所需的２４Ｖ單相工頻交流電．為滿足輸出大電流的要求，本設計採用２２０～３６Ｖ的隔離變壓器搭配調壓變壓器提供２０～３０Ｖ的交流電壓輸入．在本次所設計的系統中，單相２４Ｖ工頻交流電經過ＡＣ－ＤＣ變換電路輸出恆定的３６Ｖ直流電壓給可變負載Ｒ１供電［１］．為實現功率因數的測量和補償以及電路系統的過流保護，需要對ＡＣ－ＤＣ變換電路的輸入和輸出端同時進行電壓和電流的採樣，並將採集到的數據送給ＡＶＲ單片機內部的Ａ／Ｄ進行處理，同時對整個系統做出相應的控制．

　　單片機可以將測量計算得到的功率因數送給ＬＣＤ顯示，同時可以根據鍵盤的動作觸發繼電器工作，實現功率因數的補償；當系統電流達到設計的初始值時，單片機觸發過流保護模塊自動切斷電路，並在電流減小到保護值時自動恢復工作．為給系統的其他晶片提供工作電壓，本設計另外設置了一套輔助電源，包括＋５，＋１２，－１２Ｖ在內的常用電壓

　　

　　１．３系統硬體電路設計１．３．１ＡＣ－ＤＣ主模塊電路ＡＣ－ＤＣ主模塊電路原理圖見圖３．本模塊電路由超低功耗整流器模塊和ＤＣ－ＤＣ升壓模塊兩部分構成．超低功耗整流器主要由二極體橋控制器ＬＴ４３２０驅動４個導通電阻和飽和壓降極低的Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ構成，實現了單相交流電到直流電的超高效轉換．ＤＣ－ＤＣ升壓模塊以高效開關穩壓控制器ＬＴＣ３７８９為核心，搭配適當的電路參數實現３６Ｖ的恆壓輸出．

　　ＬＴ４３２０是一款用於９～７２Ｖ系統的理想二極體橋控制器．它採用低功耗Ｎ溝道ＭＯＳＦＥＴ替代了

　　全波整流器中的全部４個二極體，以顯著地降低功率耗散並增加可用電壓，極大地提升了轉換效率．ＬＴ４３２０開關控制電路平穩地接通兩個適當的ＭＯＳＦＥＴ，同時將另外兩個ＭＯＳＦＥＴ保持在關斷狀態以防止反向電流，ＭＯＳＦＥＴ的選擇在１Ｗ到幾ｋＷ的功率級別範圍內，提供了最大的靈活性．控制器的工作頻率範圍為ＤＣ０～６００Ｈｚ以及低至１．５ｍＡ的靜態電流和－４０～＋８５℃的寬工作溫度範圍很好的滿足了本設計的要求．ＬＴＣ３７８９是一款峰值效率高達９８％的同步降壓－升壓型ＤＣ／ＤＣ控制器．該器件以高於、低於或等於輸出電壓的輸入電壓工作．ＬＴＣ３７８９以２００～６００ｋＨｚ的可選固定頻率工作，也可以用其集成的鎖相環（ＰＬＬ）同步至相同範圍的外部時鐘，４～３８Ｖ的寬輸入範圍、０．８～３８Ｖ的寬輸出範圍．此外ＬＴＣ３７８９具有可調軟啟動和良好的電源輸出，並在－４０～１２５℃的工作結溫範圍內保持±１．５％的基準電壓準確度．因此，本設計所採用的以ＬＴ４３２０和ＬＴＣ３７８９為核心構成的ＡＣ－ＤＣ變換電路模塊具有非常高的實用價值。

　　

　　１．３．２功率因數測量模塊電路功率因數測量模塊電路原理圖見圖４．通過過零比較電路檢測出電壓和電流的相位差，然後把數據送給Ａｔｍｅｇａ１２８單片機的Ａ／Ｄ進行分析計算，輸出系統的功率因數．功率因數是交流電路中電壓與電流之間的相位差φ的餘弦，記作ｃｏｓφ，也是有功功率Ｐ和無功功率Ｓ的比值．功率因數過低會影響電源的效率，提高功率因數具有極高的社會和經濟效益，因此功率因數的準確檢測具有十分重要的意義［２］．在交流電路中，有功功率是指一個周期內發出或負載消耗的瞬時功率的積分的平均值；無功功率是用於電路內電場與磁場，並用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率．

　　將交流輸入端的電流（轉化為電壓信號）與電壓分別接入過零比較器的兩個輸入端，從而將輸入電流與輸入電壓由原先的正弦信號整形為脈衝信號，最後將兩路不同相位的脈衝信號通過異或門後輸出，輸出方波的脈衝寬度即表徵了交流電壓與電流的相位差，而相位差與功率因數呈線性關係，進而得到功率因數．本測量電路主要由集成運放ＬＭ３５８搭建適當的電路，實現交流電壓和電流信號的跟隨和放大，經過放大器電路處理過的兩路信號送入電壓比較器ＬＭ３９３，再將比較器輸出的信號送入數字異或門７４８６，最後將輸出結果送與單片機做處理．本電路用最基本的電路設計原理實現了功率因數的測量，通過調節電路參數，使測量電路具有了很高的準確性．

　　１．３．３功率因數補償和過流保護電路功率因數補償電路見圖５．在電路系統中電容電壓的相位滯後於電流的相位，而電感電壓的相位超前於電流的相位，所以電感和電容的組合補償可以實現功率因數的補償．組合電感串聯於交流電路中，組合電容並聯於電路中，通過繼電器來實現匹配的組合併自動接入到電源電路中去．功率因數補償大多數採用無源或有源兩種方式，本設計中採用基於ＬＣ構成濾波器的無源補償方式，儘管採用開關電容網模塊的補償方式有更好的諧波抑制效果，但是無源ＬＣ補償方式可以提升更高的效率［３］．在感性負載上並聯電容器的方法可用電容器的無功功率來補償感性負載的無功功率，從而減少甚至消除感性負載於電源之間原有的能量交換［４］．由於補償電容器會對電源中的諧波有放大作用，為避免諧波放大，所選電容器與所串感性電抗器參數應合理搭配，即電容器串聯電抗迴路只要對某次諧波呈感性，此諧波就不會被放大進入系統，即串聯電抗迴路對某次諧波的吸收功能

　　

　　

　　過流保護電路見圖６．將單片機控制的繼電器串接到ＤＣ部分的直流電路中，當單片機檢測到電流傳感器的電流值達到設定值，便切斷電路，當電流減小到設定值之下單片機觸發繼電器來接通電路，通過本系統的過流保護電路可以實現系統的過流保護並自動恢復的功能，調節電流傳感器的參數，可以達到±０．１Ａ的控制精度．

　　

　　２單片機控制系統

　　２．１控制系統硬體設計

　　控制系統硬體電路見圖７．本系統採用Ａｔｍｅｇａ１２８單片機作為主控晶片實現了對輸入交流電壓和電流以及直流電壓和電流信號的採集和處理［６］，並完成對功率因數補償電路、過流保護電路的控制．Ａｔ－ｍｅｇａ１２８單片機是Ａｔｍｅｌ公司生產的高性能８位ＭＣＵ，其內置８路１０位ＡＤ，可以完成多路數據的採集．Ａｔｍｅｇａ１２８單片機通過外部中斷進行鍵盤的實時掃描，此外單片機通過串行方式控制１２８６４液晶並實時顯示數據，節省了單片機的硬體資源．

　　

　　２．２控制系統軟體設計

　　系統程序流程圖見圖８．系統上電後，首先初始化液晶屏和ＡＤ轉換器，４路ＡＤ轉換器分別採集輸入電壓信號、輸入電流信號、輸出電壓信號、輸出電流信號，若輸出電流過大，立即控制繼電器，切斷輸出迴路，進入過流保護狀態，１０ｓ過後控制繼電器使電路恢復正常工作［７］．單片機通過液晶屏顯示輸入電流、輸入電壓、功率因數以及輸出電壓、輸出電流，若功率因數小於１，通過功率因數控制模塊自動補償功率因數．然後單片機掃描按鍵，提供３個可選的子功能，分別為：設定功率因數、功率因數向１補償、設定過流保護電流值．其中，「設定功率因數」指可在一定範圍內設定功率因數的大小，單片機通過功率因數控制模塊自動調整功率因數到設定值，「設定過流保護值」即指可以在一定範圍內人為設定最大保護電流．

　　

　　３系統測試

　　３．１系統測試方案

　　系統測試方案見圖９．若要對ＡＣ－ＤＣ變換電路的效率進行檢測，需要在系統輸入端和輸出端設置測試埠，以便於得到輸入輸出端的電流和電壓，即ＵＳ，ＩＳ，Ｕ０，Ｉ０，效率計算公式為

　　

　　

　　4、結論

　　高效率、低紋波開關電源技術是未來電源技術發展的方向，而帶有功率因數檢測和補償的電源系統也必定會為節能減排做出突出的貢獻．本系統設計的ＡＣ－ＤＣ變換電路一改傳統的基於變壓器的ＡＣ－ＤＣ變換技術，應用超低功耗二極體橋控制器結合超高效的開關穩壓控制器的方式實現電源的變換，同時輔助功率因數檢測和補償電路，最大限度地提高了電源的轉換效率，並能夠很好地控制電源的紋波．由於本設計解決了傳統變換電源效率的瓶頸，所以在類似於計算機所用的低壓電源領域具有非常廣泛的應用前景。

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