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ACDC转换器的作用及工作原理

时间:2017-12-06 来源: 关键字:AC-DC   控制   

ACDC转换器的作用及工作原理_acdc转换器电路结构_acdc转换器电路设计

本文引用地址: http://power.21ic.com//ac/technical/201712/58754.html

通俗地讲,ACDC转换器就是将交流电转换为直流电的设备。

AC,即Alternang Current的英文缩写,意思为“交流”;DC,即Direct Current的英文缩写,意思为“直流”。

ACDC转换就是通过整流电路,将交流电经过整流、滤波,从而转换为稳定的直流电。

 

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AC-DC电源模块的作用

一、隔离

1、安全隔离:强电弱电隔离IGBT隔离驱动浪涌隔离保护雷电隔离保护(如人体接触的医疗电子设备的隔离保护)

2、噪声隔离:(模拟电路与数字电路隔离、强弱信号隔离)

3、接地环路消除:远程信号传输分布式电源供电系统

二、保护

短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护、其它保护

三、电压变换

升压变换降压变换交直流转换(AC/DC、DC/AC)极性变换(正负极性转换、单电源与正负电源转换、单电源与多电源转换)

四、稳压

交流市电供电远程直流供电分布式电源供电系统电池供电

ACDC转换器电路结构全解

1、正激电路

 

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2、反激电路

 

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3、半桥电路

 

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4、全桥电路

 

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5、推挽电路

 

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6、全波整流和全桥整流

 

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各种结构的比较(如下图)

 

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ACDC变换电路设计(单相)

近几年来,随着电子技术和制造工艺的不断发展和电源技术的日益成熟,人们对电源的转换效率提出了越来越高的要求.在电气领域中,开关电源占据着举足轻重的位置,高效率是未来电源发展的必然趋势.传统的AC-DC变换电路由于要通过高频变压器来实现电压变换,很难将效率提高到更高的层次,也很难降低电源的纹波.本系统所设计的高效率的单相AC-DC变换电路,可以输出恒定的36V直流电压,在额定输出电流为2A时,可实现高达90%以上的电源转换效率.高效率、低纹波的电源转换不仅可以提供更加可靠的供电系统,同时也可以带来非常可观的经济效益.

1 系统结构设计

1.1 设计任务

设计并制作如图1所示的单相AC-DC变换电路.输出直流电压稳定在36V,输出电流额定值2A.要求:在输入交流电压US=24V、输出直流电流I0=2A的条件下,使输出直流电压U0=(36±0.1)V;当US=24V,I0在0.2~2.0A范围内变化时,负载调整率SI≤0.5%;当I0=2A,US在20~30V范围内变化时,电压调整率SU≤0.5%;设计并制作功率因数测量电路,实现AC-DC变换电路输入侧功率因数的测量,测量误差绝对值不大于0.03;具有输出过流保护功能,动作电流为(2.5±0.2)A,在保证完成上述要求的基础上最大限度地提高功率因数和电源的效率,能够根据设定自动调整功率因数.

 

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1.2系统结构系统结构见图2.外部220V交流电经过隔离变压器变换出本设计所需的24V单相工频交流电.为满足输出大电流的要求,本设计采用220~36V的隔离变压器搭配调压变压器提供20~30V的交流电压输入.在本次所设计的系统中,单相24V工频交流电经过AC-DC变换电路输出恒定的36V直流电压给可变负载R1供电[1].为实现功率因数的测量和补偿以及电路系统的过流保护,需要对AC-DC变换电路的输入和输出端同时进行电压和电流的采样,并将采集到的数据送给AVR单片机内部的A/D进行处理,同时对整个系统做出相应的控制.

单片机可以将测量计算得到的功率因数送给LCD显示,同时可以根据键盘的动作触发继电器工作,实现功率因数的补偿;当系统电流达到设计的初始值时,单片机触发过流保护模块自动切断电路,并在电流减小到保护值时自动恢复工作.为给系统的其他芯片提供工作电压,本设计另外设置了一套辅助电源,包括+5,+12,-12V在内的常用电压

 

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1.3系统硬件电路设计1.3.1AC-DC主模块电路AC-DC主模块电路原理图见图3.本模块电路由超低功耗整流器模块和DC-DC升压模块两部分构成.超低功耗整流器主要由二极管桥控制器LT4320驱动4个导通电阻和饱和压降极低的N型MOSFET构成,实现了单相交流电到直流电的超高效转换.DC-DC升压模块以高效开关稳压控制器LTC3789为核心,搭配适当的电路参数实现36V的恒压输出.

LT4320是一款用于9~72V系统的理想二极管桥控制器.它采用低功耗N沟道MOSFET替代了

全波整流器中的全部4个二极管,以显著地降低功率耗散并增加可用电压,极大地提升了转换效率.LT4320开关控制电路平稳地接通两个适当的MOSFET,同时将另外两个MOSFET保持在关断状态以防止反向电流,MOSFET的选择在1W到几kW的功率级别范围内,提供了最大的灵活性.控制器的工作频率范围为DC0~600Hz以及低至1.5mA的静态电流和-40~+85℃的宽工作温度范围很好的满足了本设计的要求.LTC3789是一款峰值效率高达98%的同步降压-升压型DC/DC控制器.该器件以高于、低于或等于输出电压的输入电压工作.LTC3789以200~600kHz的可选固定频率工作,也可以用其集成的锁相环(PLL)同步至相同范围的外部时钟,4~38V的宽输入范围、0.8~38V的宽输出范围.此外LTC3789具有可调软启动和良好的电源输出,并在-40~125℃的工作结温范围内保持±1.5%的基准电压准确度.因此,本设计所采用的以LT4320和LTC3789为核心构成的AC-DC变换电路模块具有非常高的实用价值。

 

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1.3.2功率因数测量模块电路功率因数测量模块电路原理图见图4.通过过零比较电路检测出电压和电流的相位差,然后把数据送给Atmega128单片机的A/D进行分析计算,输出系统的功率因数.功率因数是交流电路中电压与电流之间的相位差φ的余弦,记作cosφ,也是有功功率P和无功功率S的比值.功率因数过低会影响电源的效率,提高功率因数具有极高的社会和经济效益,因此功率因数的准确检测具有十分重要的意义[2].在交流电路中,有功功率是指一个周期内发出或负载消耗的瞬时功率的积分的平均值;无功功率是用于电路内电场与磁场,并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率.

将交流输入端的电流(转化为电压信号)与电压分别接入过零比较器的两个输入端,从而将输入电流与输入电压由原先的正弦信号整形为脉冲信号,最后将两路不同相位的脉冲信号通过异或门后输出,输出方波的脉冲宽度即表征了交流电压与电流的相位差,而相位差与功率因数呈线性关系,进而得到功率因数.本测量电路主要由集成运放LM358搭建适当的电路,实现交流电压和电流信号的跟随和放大,经过放大器电路处理过的两路信号送入电压比较器LM393,再将比较器输出的信号送入数字异或门7486,最后将输出结果送与单片机做处理.本电路用最基本的电路设计原理实现了功率因数的测量,通过调节电路参数,使测量电路具有了很高的准确性.

1.3.3功率因数补偿和过流保护电路功率因数补偿电路见图5.在电路系统中电容电压的相位滞后于电流的相位,而电感电压的相位超前于电流的相位,所以电感和电容的组合补偿可以实现功率因数的补偿.组合电感串联于交流电路中,组合电容并联于电路中,通过继电器来实现匹配的组合并自动接入到电源电路中去.功率因数补偿大多数采用无源或有源两种方式,本设计中采用基于LC构成滤波器的无源补偿方式,尽管采用开关电容网模块的补偿方式有更好的谐波抑制效果,但是无源LC补偿方式可以提升更高的效率[3].在感性负载上并联电容器的方法可用电容器的无功功率来补偿感性负载的无功功率,从而减少甚至消除感性负载于电源之间原有的能量交换[4].由于补偿电容器会对电源中的谐波有放大作用,为避免谐波放大,所选电容器与所串感性电抗器参数应合理搭配,即电容器串联电抗回路只要对某次谐波呈感性,此谐波就不会被放大进入系统,即串联电抗回路对某次谐波的吸收功能

 

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过流保护电路见图6.将单片机控制的继电器串接到DC部分的直流电路中,当单片机检测到电流传感器的电流值达到设定值,便切断电路,当电流减小到设定值之下单片机触发继电器来接通电路,通过本系统的过流保护电路可以实现系统的过流保护并自动恢复的功能,调节电流传感器的参数,可以达到±0.1A的控制精度.

 

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2单片机控制系统

2.1控制系统硬件设计

控制系统硬件电路见图7.本系统采用Atmega128单片机作为主控芯片实现了对输入交流电压和电流以及直流电压和电流信号的采集和处理[6],并完成对功率因数补偿电路、过流保护电路的控制.At-mega128单片机是Atmel公司生产的高性能8位MCU,其内置8路10位AD,可以完成多路数据的采集.Atmega128单片机通过外部中断进行键盘的实时扫描,此外单片机通过串行方式控制12864液晶并实时显示数据,节省了单片机的硬件资源.

 

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2.2控制系统软件设计

系统程序流程图见图8.系统上电后,首先初始化液晶屏和AD转换器,4路AD转换器分别采集输入电压信号、输入电流信号、输出电压信号、输出电流信号,若输出电流过大,立即控制继电器,切断输出回路,进入过流保护状态,10s过后控制继电器使电路恢复正常工作[7].单片机通过液晶屏显示输入电流、输入电压、功率因数以及输出电压、输出电流,若功率因数小于1,通过功率因数控制模块自动补偿功率因数.然后单片机扫描按键,提供3个可选的子功能,分别为:设定功率因数、功率因数向1补偿、设定过流保护电流值.其中,“设定功率因数”指可在一定范围内设定功率因数的大小,单片机通过功率因数控制模块自动调整功率因数到设定值,“设定过流保护值”即指可以在一定范围内人为设定最大保护电流.

 

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3系统测试

3.1系统测试方案

系统测试方案见图9.若要对AC-DC变换电路的效率进行检测,需要在系统输入端和输出端设置测试端口,以便于得到输入输出端的电流和电压,即US,IS,U0,I0,效率计算公式为

 

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4、结论

高效率、低纹波开关电源技术是未来电源技术发展的方向,而带有功率因数检测和补偿的电源系统也必定会为节能减排做出突出的贡献.本系统设计的AC-DC变换电路一改传统的基于变压器的AC-DC变换技术,应用超低功耗二极管桥控制器结合超高效的开关稳压控制器的方式实现电源的变换,同时辅助功率因数检测和补偿电路,最大限度地提高了电源的转换效率,并能够很好地控制电源的纹波.由于本设计解决了传统变换电源效率的瓶颈,所以在类似于计算机所用的低压电源领域具有非常广泛的应用前景。

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