ACDC轉(zhuǎn)換器的作用及工作原理

ACDC轉(zhuǎn)換器的作用及工作原理_acdc轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)_acdc轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

通俗地講，ACDC轉(zhuǎn)換器就是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的設(shè)備。

AC，即Alternang 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(zhuǎn)換就是通過整流電路，將交流電經(jīng)過整流、濾波，從而轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電。

AC-DC電源模塊的作用

一、隔離

1、安全隔離：強(qiáng)電弱電隔離IGBT隔離驅(qū)動(dòng)浪涌隔離保護(hù)雷電隔離保護(hù)(如人體接觸的醫(yī)療電子設(shè)備的隔離保護(hù))

2、噪聲隔離：(模擬電路與數(shù)字電路隔離、強(qiáng)弱信號(hào)隔離)

3、接地環(huán)路消除：遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸分布式電源供電系統(tǒng)

二、保護(hù)

短路保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、其它保護(hù)

三、電壓變換

升壓變換降壓變換交直流轉(zhuǎn)換(AC/DC、DC/AC)極性變換(正負(fù)極性轉(zhuǎn)換、單電源與正負(fù)電源轉(zhuǎn)換、單電源與多電源轉(zhuǎn)換)

四、穩(wěn)壓

交流市電供電遠(yuǎn)程直流供電分布式電源供電系統(tǒng)電池供電

ACDC轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的比較(如下圖)

ACDC變換電路設(shè)計(jì)(單相)

近幾年來，隨著電子技術(shù)和制造工藝的不斷發(fā)展和電源技術(shù)的日益成熟，人們對(duì)電源的轉(zhuǎn)換效率提出了越來越高的要求.在電氣領(lǐng)域中，開關(guān)電源占據(jù)著舉足輕重的位置，高效率是未來電源發(fā)展的必然趨勢(shì).傳統(tǒng)的AC-DC變換電路由于要通過高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)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(tǒng)所設(shè)計(jì)的高效率的單相AC-DC變換電路，可以輸出恒定的36V直流電壓，在額定輸出電流為2A時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%以上的電源轉(zhuǎn)換效率.高效率、低紋波的電源轉(zhuǎn)換不僅可以提供更加可靠的供電系統(tǒng)，同時(shí)也可以帶來非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作如圖1所示的單相AC-DC變換電路.輸出直流電壓穩(wěn)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(dāng)US=24V，I0在0.2～2.0A范圍內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI≤0.5%;當(dāng)I0=2A，US在20～30V范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓調(diào)整率SU≤0.5%;設(shè)計(jì)并制作功率因數(shù)測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)AC-DC變換電路輸入側(cè)功率因數(shù)的測(cè)量，測(cè)量誤差絕對(duì)值不大于0.03;具有輸出過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流為(2.5±0.2)A，在保證完成上述要求的基礎(chǔ)上最大限度地提高功率因數(shù)和電源的效率，能夠根據(jù)設(shè)定自動(dòng)調(diào)整功率因數(shù).

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2.外部220V交流電經(jīng)過隔離變壓器變換出本設(shè)計(jì)所需的24V單相工頻交流電.為滿足輸出大電流的要求，本設(shè)計(jì)采用220～36V的隔離變壓器搭配調(diào)壓變壓器提供20～30V的交流電壓輸入.在本次所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，單相24V工頻交流電經(jīng)過AC-DC變換電路輸出恒定的36V直流電壓給可變負(fù)載R1供電[1].為實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的測(cè)量和補(bǔ)償以及電路系統(tǒng)的過流保護(hù)，需要對(duì)AC-DC變換電路的輸入和輸出端同時(shí)進(jìn)行電壓和電流的采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)送給AVR單片機(jī)內(nèi)部的A/D進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做出相應(yīng)的控制.

單片機(jī)可以將測(cè)量計(jì)算得到的功率因數(shù)送給LCD顯示，同時(shí)可以根據(jù)鍵盤的動(dòng)作觸發(fā)繼電器工作，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的補(bǔ)償;當(dāng)系統(tǒng)電流達(dá)到設(shè)計(jì)的初始值時(shí)，單片機(jī)觸發(fā)過流保護(hù)模塊自動(dòng)切斷電路，并在電流減小到保護(hù)值時(shí)自動(dòng)恢復(fù)工作.為給系統(tǒng)的其他芯片提供工作電壓，本設(shè)計(jì)另外設(shè)置了一套輔助電源，包括+5，+12，-12V在內(nèi)的常用電壓

1.3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)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(gòu)成.超低功耗整流器主要由二極管橋控制器LT4320驅(qū)動(dòng)4個(gè)導(dǎo)通電阻和飽和壓降極低的N型MOSFET構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了單相交流電到直流電的超高效轉(zhuǎn)換.DC-DC升壓模塊以高效開關(guān)穩(wěn)壓控制器LTC3789為核心，搭配適當(dāng)?shù)碾娐穮?shù)實(shí)現(xiàn)36V的恒壓輸出.

LT4320是一款用于9～72V系統(tǒng)的理想二極管橋控制器.它采用低功耗N溝道MOSFET替代了

全波整流器中的全部4個(gè)二極管，以顯著地降低功率耗散并增加可用電壓，極大地提升了轉(zhuǎn)換效率.LT4320開關(guān)控制電路平穩(wěn)地接通兩個(gè)適當(dāng)?shù)腗OSFET，同時(shí)將另外兩個(gè)MOSFET保持在關(guān)斷狀態(tài)以防止反向電流，MOSFET的選擇在1W到幾kW的功率級(jí)別范圍內(nèi)，提供了最大的靈活性.控制器的工作頻率范圍為DC0～600Hz以及低至1.5mA的靜態(tài)電流和-40～+85℃的寬工作溫度范圍很好的滿足了本設(shè)計(jì)的要求.LTC3789是一款峰值效率高達(dá)98%的同步降壓-升壓型DC/DC控制器.該器件以高于、低于或等于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(huán)(PLL)同步至相同范圍的外部時(shí)鐘，4～38V的寬輸入范圍、0.8～38V的寬輸出范圍.此外LTC3789具有可調(diào)軟啟動(dòng)和良好的電源輸出，并在-40～125℃的工作結(jié)溫范圍內(nèi)保持±1.5%的基準(zhǔn)電壓準(zhǔn)確度.因此，本設(shè)計(jì)所采用的以LT4320和LTC3789為核心構(gòu)成的AC-DC變換電路模塊具有非常高的實(shí)用價(jià)值。

1.3.2功率因數(shù)測(cè)量模塊電路功率因數(shù)測(cè)量模塊電路原理圖見圖4.通過過零比較電路檢測(cè)出電壓和電流的相位差，然后把數(shù)據(jù)送給Atmega128單片機(jī)的A/D進(jìn)行分析計(jì)算，輸出系統(tǒng)的功率因數(shù).功率因數(shù)是交流電路中電壓與電流之間的相位差φ的余弦，記作cosφ，也是有功功率P和無功功率S的比值.功率因數(shù)過低會(huì)影響電源的效率，提高功率因數(shù)具有極高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，因此功率因數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)具有十分重要的意義[2].在交流電路中，有功功率是指一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出或負(fù)載消耗的瞬時(shí)功率的積分的平均值;無功功率是用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率.

將交流輸入端的電流(轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào))與電壓分別接入過零比較器的兩個(gè)輸入端，從而將輸入電流與輸入電壓由原先的正弦信號(hào)整形為脈沖信號(hào)，最后將兩路不同相位的脈沖信號(hào)通過異或門后輸出，輸出方波的脈沖寬度即表征了交流電壓與電流的相位差，而相位差與功率因數(shù)呈線性關(guān)系，進(jìn)而得到功率因數(shù).本測(cè)量電路主要由集成運(yùn)放LM358搭建適當(dāng)?shù)碾娐?，?shí)現(xiàn)交流電壓和電流信號(hào)的跟隨和放大，經(jīng)過放大器電路處理過的兩路信號(hào)送入電壓比較器LM393，再將比較器輸出的信號(hào)送入數(shù)字異或門7486，最后將輸出結(jié)果送與單片機(jī)做處理.本電路用最基本的電路設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)的測(cè)量，通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)，使測(cè)量電路具有了很高的準(zhǔn)確性.

1.3.3功率因數(shù)補(bǔ)償和過流保護(hù)電路功率因數(shù)補(bǔ)償電路見圖5.在電路系統(tǒng)中電容電壓的相位滯后于電流的相位，而電感電壓的相位超前于電流的相位，所以電感和電容的組合補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的補(bǔ)償.組合電感串聯(lián)于交流電路中，組合電容并聯(lián)于電路中，通過繼電器來實(shí)現(xiàn)匹配的組合并自動(dòng)接入到電源電路中去.功率因數(shù)補(bǔ)償大多數(shù)采用無源或有源兩種方式，本設(shè)計(jì)中采用基于LC構(gòu)成濾波器的無源補(bǔ)償方式，盡管采用開關(guān)電容網(wǎng)模塊的補(bǔ)償方式有更好的諧波抑制效果，但是無源LC補(bǔ)償方式可以提升更高的效率[3].在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器的方法可用電容器的無功功率來補(bǔ)償感性負(fù)載的無功功率，從而減少甚至消除感性負(fù)載于電源之間原有的能量交換[4].由于補(bǔ)償電容器會(huì)對(duì)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(shù)應(yīng)合理搭配，即電容器串聯(lián)電抗回路只要對(duì)某次諧波呈感性，此諧波就不會(huì)被放大進(jìn)入系統(tǒng)，即串聯(lián)電抗回路對(duì)某次諧波的吸收功能

過流保護(hù)電路見圖6.將單片機(jī)控制的繼電器串接到DC部分的直流電路中，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到電流傳感器的電流值達(dá)到設(shè)定值，便切斷電路，當(dāng)電流減小到設(shè)定值之下單片機(jī)觸發(fā)繼電器來接通電路，通過本系統(tǒng)的過流保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過流保護(hù)并自動(dòng)恢復(fù)的功能，調(diào)節(jié)電流傳感器的參數(shù)，可以達(dá)到±0.1A的控制精度.

2單片機(jī)控制系統(tǒng)

2.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件電路見圖7.本系統(tǒng)采用Atmega128單片機(jī)作為主控芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入交流電壓和電流以及直流電壓和電流信號(hào)的采集和處理[6]，并完成對(duì)功率因數(shù)補(bǔ)償電路、過流保護(hù)電路的控制.At-mega128單片機(jī)是Atmel公司生產(chǎn)的高性能8位MCU，其內(nèi)置8路10位AD，可以完成多路數(shù)據(jù)的采集.Atmega128單片機(jī)通過外部中斷進(jìn)行鍵盤的實(shí)時(shí)掃描，此外單片機(jī)通過串行方式控制12864液晶并實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，節(jié)省了單片機(jī)的硬件資源.

2.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程圖見圖8.系統(tǒng)上電后，首先初始化液晶屏和AD轉(zhuǎn)換器，4路AD轉(zhuǎn)換器分別采集輸入電壓信號(hào)、輸入電流信號(hào)、輸出電壓信號(hào)、輸出電流信號(hào)，若輸出電流過大，立即控制繼電器，切斷輸出回路，進(jìn)入過流保護(hù)狀態(tài)，10s過后控制繼電器使電路恢復(fù)正常工作[7].單片機(jī)通過液晶屏顯示輸入電流、輸入電壓、功率因數(shù)以及輸出電壓、輸出電流，若功率因數(shù)小于1，通過功率因數(shù)控制模塊自動(dòng)補(bǔ)償功率因數(shù).然后單片機(jī)掃描按鍵，提供3個(gè)可選的子功能，分別為：設(shè)定功率因數(shù)、功率因數(shù)向1補(bǔ)償、設(shè)定過流保護(hù)電流值.其中，“設(shè)定功率因數(shù)”指可在一定范圍內(nèi)設(shè)定功率因數(shù)的大小，單片機(jī)通過功率因數(shù)控制模塊自動(dòng)調(diào)整功率因數(shù)到設(shè)定值，“設(shè)定過流保護(hù)值”即指可以在一定范圍內(nèi)人為設(shè)定最大保護(hù)電流.

3系統(tǒng)測(cè)試

3.1系統(tǒng)測(cè)試方案

系統(tǒng)測(cè)試方案見圖9.若要對(duì)AC-DC變換電路的效率進(jìn)行檢測(cè)，需要在系統(tǒng)輸入端和輸出端設(shè)置測(cè)試端口，以便于得到輸入輸出端的電流和電壓，即US，IS，U0，I0，效率計(jì)算公式為

4、結(jié)論

高效率、低紋波開關(guān)電源技術(shù)是未來電源技術(shù)發(fā)展的方向，而帶有功率因數(shù)檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)碾娫聪到y(tǒng)也必定會(huì)為節(jié)能減排做出突出的貢獻(xiàn).本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的AC-DC變換電路一改傳統(tǒng)的基于變壓器的AC-DC變換技術(shù)，應(yīng)用超低功耗二極管橋控制器結(jié)合超高效的開關(guān)穩(wěn)壓控制器的方式實(shí)現(xiàn)電源的變換，同時(shí)輔助功率因數(shù)檢測(cè)和補(bǔ)償電路，最大限度地提高了電源的轉(zhuǎn)換效率，并能夠很好地控制電源的紋波.由于本設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)變換電源效率的瓶頸，所以在類似于計(jì)算機(jī)所用的低壓電源領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。