ACDC轉換器的作用及工作原理

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Alternang Current的英文縮寫(xiě)，意思為“交流”;DC，即Direct Current的英文縮寫(xiě)，意思為“直流”。

ACDC轉換就是通過(guò)整流電路，將交流電經(jīng)過(guò)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(dòng)浪涌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(huán)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(guò)壓保護、欠壓保護、過(guò)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(lái)，隨著(zhù)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，人們對電源的轉換效率提出了越來(lái)越高的要求.在電氣領(lǐng)域中，開(kāi)關(guān)電源占據著(zhù)舉足輕重的位置，高效率是未來(lái)電源發(fā)展的必然趨勢.傳統的AC-DC變換電路由于要通過(guò)高頻變壓器來(lái)實(shí)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，可以輸出恒定的36V直流電壓，在額定輸出電流為2A時(shí)，可實(shí)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(shí)也可以帶來(lái)非?？捎^(guān)的經(jīng)濟效益.

1 系統結構設計

1.1 設計任務(wù)

設計并制作如圖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范圍內變化時(shí)，負載調整率SI≤0.5%;當I0=2A，US在20～30V范圍內變化時(shí)，電壓調整率SU≤0.5%;設計并制作功率因數測量電路，實(shí)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于0.03;具有輸出過(guò)流保護功能，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(dòng)調整功率因數.

1.2系統結構系統結構見(jiàn)圖2.外部220V交流電經(jīng)過(guò)隔離變壓器變換出本設計所需的24V單相工頻交流電.為滿(mǎn)足輸出大電流的要求，本設計采用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(jīng)過(guò)AC-DC變換電路輸出恒定的36V直流電壓給可變負載R1供電[1].為實(shí)現功率因數的測量和補償以及電路系統的過(guò)流保護，需要對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，并將采集到的數據送給AVR單片機內部的A/D進(jìn)行處理，同時(shí)對整個(gè)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(shí)可以根據鍵盤(pán)的動(dòng)作觸發(fā)繼電器工作，實(shí)現功率因數的補償;當系統電流達到設計的初始值時(shí)，單片機觸發(fā)過(guò)流保護模塊自動(dòng)切斷電路，并在電流減小到保護值時(shí)自動(dòng)恢復工作.為給系統的其他芯片提供工作電壓，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系統硬件電路設計1.3.1AC-DC主模塊電路AC-DC主模塊電路原理圖見(jiàn)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管橋控制器LT4320驅動(dòng)4個(gè)導通電阻和飽和壓降極低的N型MOSFET構成，實(shí)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(kāi)關(guān)穩壓控制器LTC3789為核心，搭配適當的電路參數實(shí)現36V的恒壓輸出.

LT4320是一款用于9～72V系統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(zhù)地降低功率耗散并增加可用電壓，極大地提升了轉換效率.LT4320開(kāi)關(guān)控制電路平穩地接通兩個(gè)適當的MOSFET，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的功率級別范圍內，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(mǎn)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具有可調軟啟動(dòng)和良好的電源輸出，并在-40～125℃的工作結溫范圍內保持±1.5%的基準電壓準確度.因此，本設計所采用的以L(fǎng)T4320和LTC3789為核心構成的AC-DC變換電路模塊具有非常高的實(shí)用價(jià)值。

1.3.2功率因數測量模塊電路功率因數測量模塊電路原理圖見(jiàn)圖4.通過(guò)過(guò)零比較電路檢測出電壓和電流的相位差，然后把數據送給Atmega128單片機的A/D進(jìn)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的余弦，記作cosφ，也是有功功率P和無(wú)功功率S的比值.功率因數過(guò)低會(huì )影響電源的效率，提高功率因數具有極高的社會(huì )和經(jīng)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(gè)周期內發(fā)出或負載消耗的瞬時(shí)功率的積分的平均值;無(wú)功功率是用于電路內電場(chǎng)與磁場(chǎng)，并用來(lái)在電氣設備中建立和維持磁場(chǎng)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(guò)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整形為脈沖信號，最后將兩路不同相位的脈沖信號通過(guò)異或門(mén)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呈線(xiàn)性關(guān)系，進(jìn)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(shí)現交流電壓和電流信號的跟隨和放大，經(jīng)過(guò)放大器電路處理過(guò)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(mén)7486，最后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(shí)現了功率因數的測量，通過(guò)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(guò)流保護電路功率因數補償電路見(jiàn)圖5.在電路系統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償可以實(shí)現功率因數的補償.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(guò)繼電器來(lái)實(shí)現匹配的組合并自動(dòng)接入到電源電路中去.功率因數補償大多數采用無(wú)源或有源兩種方式，本設計中采用基于LC構成濾波器的無(wú)源補償方式，盡管采用開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)模塊的補償方式有更好的諧波抑制效果，但是無(wú)源LC補償方式可以提升更高的效率[3].在感性負載上并聯(lián)電容器的方法可用電容器的無(wú)功功率來(lái)補償感性負載的無(wú)功功率，從而減少甚至消除感性負載于電源之間原有的能量交換[4].由于補償電容器會(huì )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(lián)電抗回路只要對某次諧波呈感性，此諧波就不會(huì )被放大進(jìn)入系統，即串聯(lián)電抗回路對某次諧波的吸收功能

過(guò)流保護電路見(jiàn)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(fā)繼電器來(lái)接通電路，通過(guò)本系統的過(guò)流保護電路可以實(shí)現系統的過(guò)流保護并自動(dòng)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控制系統硬件設計

控制系統硬件電路見(jiàn)圖7.本系統采用Atmega128單片機作為主控芯片實(shí)現了對輸入交流電壓和電流以及直流電壓和電流信號的采集和處理[6]，并完成對功率因數補償電路、過(guò)流保護電路的控制.At-mega128單片機是Atmel公司生產(chǎn)的高性能8位MCU，其內置8路10位AD，可以完成多路數據的采集.Atmega128單片機通過(guò)外部中斷進(jìn)行鍵盤(pán)的實(shí)時(shí)掃描，此外單片機通過(guò)串行方式控制12864液晶并實(shí)時(shí)顯示數據，節省了單片機的硬件資源.

2.2控制系統軟件設計

系統程序流程圖見(jiàn)圖8.系統上電后，首先初始化液晶屏和AD轉換器，4路AD轉換器分別采集輸入電壓信號、輸入電流信號、輸出電壓信號、輸出電流信號，若輸出電流過(guò)大，立即控制繼電器，切斷輸出回路，進(jìn)入過(guò)流保護狀態(tài)，10s過(guò)后控制繼電器使電路恢復正常工作[7].單片機通過(guò)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，若功率因數小于1，通過(guò)功率因數控制模塊自動(dòng)補償功率因數.然后單片機掃描按鍵，提供3個(gè)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(guò)流保護電流值.其中，“設定功率因數”指可在一定范圍內設定功率因數的大小，單片機通過(guò)功率因數控制模塊自動(dòng)調整功率因數到設定值，“設定過(guò)流保護值”即指可以在一定范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(jiàn)圖9.若要對AC-DC變換電路的效率進(jìn)行檢測，需要在系統輸入端和輸出端設置測試端口，以便于得到輸入輸出端的電流和電壓，即US，IS，U0，I0，效率計算公式為

4、結論

高效率、低紋波開(kāi)關(guān)電源技術(shù)是未來(lái)電源技術(shù)發(fā)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(huì )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于變壓器的AC-DC變換技術(shù)，應用超低功耗二極管橋控制器結合超高效的開(kāi)關(guān)穩壓控制器的方式實(shí)現電源的變換，同時(shí)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，并能夠很好地控制電源的紋波.由于本設計解決了傳統變換電源效率的瓶頸，所以在類(lèi)似于計算機所用的低壓電源領(lǐng)域具有非常廣泛的應用前景。