小編參加過(guò)三屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽,做的均為電源題目，故留下此電源題提詳細(xì)的方案和設(shè)計(jì)思路步驟，供后來(lái)者學(xué)習(xí)取經(jīng)，如有不足之處歡迎留言提問(wèn)。點(diǎn)擊此處訪問(wèn)小編的個(gè)人小站:www.zhiguoxin.cn。

能量回饋裝置

• • 一、方案論證
  • • 1.逆變控制方案選擇
    • 2 DC/AC變流器拓?fù)浞桨傅恼撟C和選擇
    • 3 濾波器方案的論證和選擇
    • 4 連接單元論證和選擇
    • 5 AC/DC次回路拓?fù)浞桨傅恼撟C和選擇
  • 二、系統(tǒng)整體框架
  • 三、 理論分析與計(jì)算
  • • 1.單相逆變器關(guān)鍵模塊器件的選擇
    • 2.驅(qū)動(dòng)芯片 IR2104
    • 3.合理設(shè)計(jì)濾波電感
  • 四、電路與程序設(shè)計(jì)
  • • 1.三相逆變電路
    • 2.濾波器的設(shè)計(jì)
    • 3.電壓電流采樣電路
    • 4 隔離變壓器模塊
    • 5 整流模塊
    • 6 功率因數(shù)校正
  • 五.控制電路與控制程序的設(shè)計(jì)
  • 六、實(shí)物圖
  • 七、結(jié)束語(yǔ)

??電能是人們生活中所必須要的能源，隨著科技和社會(huì)的進(jìn)步，用電需求快速提高。然而，許多設(shè)備的能量不能雙向流動(dòng)從而造成了電能的浪費(fèi)，眾所周知，能量是守恒的，生活中許多能量往往被轉(zhuǎn)化成不需要甚至有害的熱能而被白白浪費(fèi)掉。因此，能量回饋系統(tǒng)成為充分利用能量的有效方式。如能有效的將再生電能高效的回送到電網(wǎng)中去供應(yīng)給周邊其他裝置使用，便能達(dá)到能量回饋、節(jié)省電能的目的。

一、方案論證

1.逆變控制方案選擇

??方案一：用硬件產(chǎn)生正弦波和三角波。將正弦波作為基波，三角波作為載波，輸入到模擬運(yùn)放比較器進(jìn)行比較后輸出 SPWM 波，由于三角波和正弦波焦點(diǎn)有任意性,脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距,從而增加了其計(jì)算的繁瑣性,硬件調(diào)頻十分困難且不易調(diào)試。

??方案二：采用專用的 SPWM 集成模塊，但電源電壓有限制，價(jià)格昂貴。
??方案三：由帶有 PWM 產(chǎn)生功能的單片機(jī)利用正弦表掃描法產(chǎn)生 SPWM，驅(qū)動(dòng)逆變電路，此方案控制電路簡(jiǎn)單，由軟件產(chǎn)生的SPWM幅度頻率較容易控制，產(chǎn)生的SPWM波質(zhì)量較好。
綜上，采用第三種方案作為本次設(shè)計(jì)方案。

2 DC/AC變流器拓?fù)浞桨傅恼撟C和選擇

??方案一：推挽式。這種方式的逆變器用兩個(gè)功率管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且兩個(gè)功率管之間相互共地，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是一個(gè)方波逆變器，但是這種結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)器件的性能參數(shù)要求很高，因?yàn)殡娐分袝?huì)有很高的電壓施加在每個(gè)元件上。
??方案二：半橋式。半橋式電路中只需要兩個(gè)功率管，電路簡(jiǎn)單，但電源的利用率低，同時(shí)功率管會(huì)出現(xiàn)不完全導(dǎo)通的情況，讓電路的損耗變很大，并且這種方案需要兩種電源供電才能輸出交流的信號(hào)。
??方案三：全橋逆變器。它是由兩個(gè)半橋式合并而成，這種電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常成熟，性能也非常穩(wěn)定開(kāi)關(guān)電流也很小。在四個(gè)功率管中相互交叉的兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)臂上下兩個(gè)功率管輪流導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)的效率很高、無(wú)用信號(hào)少，其輸出信號(hào)非常對(duì)稱，功率大，供電簡(jiǎn)單。
??綜上相比，全橋逆變器中產(chǎn)生的無(wú)用波很少，因此比較容易對(duì)輸出進(jìn)行濾波，同時(shí)在頻率低的時(shí)候，效率會(huì)很高，所以采用第三種方案作為本次設(shè)計(jì)方案。

3 濾波器方案的論證和選擇

??方案一：L型濾波器，只需要一個(gè)電感，它能夠有效地抑制紋波，但對(duì)于高頻信號(hào)的衰減的不是很好，只有當(dāng)時(shí)非常大的電感或者開(kāi)關(guān)頻率很高的時(shí)候才能夠?qū)Ω哳l信號(hào)進(jìn)行有效的衰減。
??方案二：LC型濾波器，與L型差別就是在L的基礎(chǔ)上加入了C組成的低通濾波器，能有效地濾除電路中產(chǎn)生的高頻成分以及干擾信號(hào)，且LC濾波器的通頻帶比普通濾波器寬，運(yùn)行可靠性較高，價(jià)格也比較低。
??綜上比較，第二種方案更適用于本次設(shè)計(jì)方案，因此采用方案二。

4 連接單元論證和選擇

??方案一：變流器一（DC-AC）與變流器二(AC-DC)直接相連，電路簡(jiǎn)單，但是地線會(huì)耦合在一起，不能識(shí)別高低電位，電流將不會(huì)起到作用。
??方案二：變流器一（DC-AC）與變流器二(AC-DC)中間加1：1隔離變壓器，能有效的避免環(huán)流的產(chǎn)生，在使用中過(guò)程中雖然會(huì)有損耗，但是效率仍然很高可以達(dá)到95%。
??綜上比較，為了使整個(gè)系統(tǒng)安全可靠采用第二種方案作為本次設(shè)計(jì)方案。

5 AC/DC次回路拓?fù)浞桨傅恼撟C和選擇

??AC到DC的轉(zhuǎn)換需要整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐M(jìn)行能量回饋，所以AC-DC的輸出要與逆變器一輸入相連形成回流，因此需要在整流之后加上升壓電路。
??方案一：由橋式整流和單MOS的Boost升壓電路構(gòu)成變流器二（AC-DC），這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)MOS管處于閉合狀態(tài)時(shí)電流逐漸增加，電流增加將會(huì)使二極管上的功耗變很大，電路的效率就會(huì)大大降低。
??方案二：由橋式整流和同步的Boost升壓電路構(gòu)成變流器二（AC-DC），同步的Boost升壓電路中通過(guò)兩路PWM波控去MOS導(dǎo)通，讓兩個(gè)MOS管輪流導(dǎo)通，使得電路的功耗大大降低，提高了整體效率，方便控制并且整體效率高達(dá)95%。
??綜上比較，為了提高整體的工作效率采用第二個(gè)方案作為本次設(shè)計(jì)方案。

二、系統(tǒng)整體框架

??整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（如下圖2）由直流電源，單相逆變電路、電流電壓采樣、無(wú)源濾波、隔離變壓器、整流、BOOST電路、主控電路等組成；其中MOSFET驅(qū)動(dòng)電路選用自帶死區(qū)的橋式驅(qū)動(dòng)芯片2104進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采樣電路選用高精度電流互感器與LM358高增益運(yùn)放對(duì)交流電進(jìn)行采樣，以低功耗STM32F103單片機(jī)作為核心控制模塊；全橋逆變器在STM32F103單片機(jī)產(chǎn)生的四路SPWM脈沖來(lái)控制MOS管的導(dǎo)通和斷開(kāi)來(lái)產(chǎn)生單相交流電。SPWM中脈沖的頻率等于交流電輸出頻率。逆變器輸出的交流電通過(guò)LC低通濾波電路濾除高頻信號(hào)，最后輸出標(biāo)準(zhǔn)的單相正弦交流電，通過(guò)對(duì)電壓電流采樣、PI算法實(shí)現(xiàn)電流電壓校準(zhǔn)。整流橋采用全橋整流，隔離變壓器將輸出的交流信號(hào)送入全橋進(jìn)行整流，再經(jīng)過(guò)BOOST升壓電路，使輸出電壓等于直流電源的供電電壓，最后將BOOST輸出的直流電送回至單相逆變器的輸入端，進(jìn)行能量回饋。

三、 理論分析與計(jì)算

1.單相逆變器關(guān)鍵模塊器件的選擇

??1.在逆變器設(shè)計(jì)中，一般使用4個(gè)N型MOS管來(lái)搭建。不用2個(gè)N型MOS+2個(gè)P型MOS的原因是由于P型MOS管很難做到高耐壓大電流，且導(dǎo)通電阻大，相比同性能的MOS管，N型MOS比P型MOS更適合此系統(tǒng)，且便宜很多。
??對(duì)于NMOS管，當(dāng)外部給柵極電壓大于芯片的Vgs的導(dǎo)通電壓時(shí)，漏極和源極之間直接導(dǎo)通，如果外部給柵極電壓的小于導(dǎo)通電壓時(shí)，D極和S極之間不導(dǎo)通，因此我們可以將MOS管看成是一個(gè)開(kāi)關(guān)由柵極電壓來(lái)進(jìn)行控制。
??該系統(tǒng)采用N溝道的MOS管IRF3205，因?yàn)镮RF3205的導(dǎo)通電阻非常的小，且耐壓值可達(dá)到50V，過(guò)電流達(dá)到90A，應(yīng)用的范圍非常廣，它的效率也很高。

2.驅(qū)動(dòng)芯片 IR2104

??IR2104芯片就是一個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器，如下圖3，在逆變電路中，上下橋臂的MOS管可以使用專用型的IC來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)單片機(jī)輸出一路SPWM波給IR2104的IN，則芯片的高端輸出和低端輸出將會(huì)輸出完全正交并且自帶死區(qū)的的兩條SPWM，分別來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變器的一組MOS開(kāi)關(guān)管，讓兩個(gè)開(kāi)關(guān)管輪流導(dǎo)通。
??其中LO的輸出電平范圍在0–VCC，LO接入NMOS管的柵極完全可以滿足下橋臂NMOS管的導(dǎo)通條件，HO的輸出通過(guò)IR2104S接入的一個(gè)自舉電容和一個(gè)自舉二極管來(lái)滿足NMOS管的導(dǎo)通條件來(lái)驅(qū)動(dòng)上橋臂。

3.合理設(shè)計(jì)濾波電感

??由于SPWM波載波頻率為20kHz，為濾除載波頻率及高次諧波，提高輸出THD，將濾波器截止頻率設(shè)置為$f_{\mathrm{T}}$=750Hz，電容選擇$C_{\mathrm{f}}$=$30_{\mathrm{u}\mathrm{f}}$的CBB電容，由截止頻率公式：$f_{\mathrm{T}}=1/2\pi \sqrt{C_f{L}_f}$ ，算得電感約為1.5mH。當(dāng)然你也可以線設(shè)定電感值和電容值，來(lái)計(jì)算出截止頻率，只要滿足題目要求即可。考慮到題目對(duì)效率的要求，選擇EE55型號(hào)磁芯，繞線更加緊湊而減少漏感；適當(dāng)增加電感氣隙來(lái)免因磁飽和所附加的銅損；采用多股細(xì)銅線代替單股粗線來(lái)繞制電感，從而降低銅損，減少鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)。

四、電路與程序設(shè)計(jì)

1.三相逆變電路

??微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)由兩個(gè)三相逆變器并聯(lián)構(gòu)成，作為系統(tǒng)的核心部分，三相逆變電路采用半橋并聯(lián)結(jié)構(gòu)，完成直流電到三相交流電的轉(zhuǎn)換。兩部分三相逆變器電路完全一樣，其中一個(gè)三相逆變器電路如下圖4所示。

2.濾波器的設(shè)計(jì)

??逆變器輸出會(huì)帶有基波的奇數(shù)次諧波，我們需要濾除這些諧波或者抑制這些諧波輸出。
??逆變器輸出是作為供電所用，輸出電阻要小，所以不用 RC 無(wú)源濾波器選擇用 LC 無(wú)源濾波器 ( 如圖 5)。濾波器參數(shù)計(jì)算：LC 無(wú)源低通濾波器是濾除高次諧波分量，使電壓輸出波形為正弦波。本系統(tǒng)的 SPWM 調(diào)制信號(hào)為 20K。而輸出需要的波最高 100Hz，濾波容易實(shí)現(xiàn)。
??濾波器截止頻率：$f_{\mathrm{T}}=1/2\pi \sqrt{C_f{L}_f}$ 設(shè)置截止頻率f=750Hz ，CCB電容 取 30μF。得電路中 L= 1.5mH，滿足濾波器的要求。

3.電壓電流采樣電路

??方法一：電流采樣電路選用高增益高精度電流芯片 INA282 與康銅絲采樣電阻組合成采樣電路對(duì)電流進(jìn)行采樣。電壓利用 Uo=UR1+UR2( 串聯(lián)分壓 ) 原理直接對(duì)電壓進(jìn)行采樣，為了使電壓采樣更精確在分壓電阻的輸出點(diǎn)接一個(gè)電壓跟隨器，采集跟隨器的輸出電壓。

??方法二：采樣電路是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反饋控制保證系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵部分。具體電路如下圖6所示。電壓互感器TV1013-1H和電流互感器TA12-200實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電與弱電的隔離，同時(shí)將三相逆變電路輸出的高電壓、大電流轉(zhuǎn)換為易于采集的小電壓信號(hào)，后級(jí)3階有源低通濾波器對(duì)互感器輸出信號(hào)進(jìn)一步調(diào)理后輸出給單片機(jī)采樣。

4 隔離變壓器模塊

??采用隔離變壓器的目的是為了保整個(gè)系統(tǒng)的安全性能，隔離變壓器采用的是電磁感應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)讓輸入和輸出電壓的隔離，通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電壓的傳遞。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為了有效的避免逆變器與整流之后的升壓電路直接相連，地線耦合在一起將無(wú)法識(shí)別高低電位的情況，需要次級(jí)電路地線不和前級(jí)電路地線相連，同時(shí)又為了不衰減電路中的電壓，因此采用1:1的隔離變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)次級(jí)電路中任一根線與前級(jí)電路地線地之間沒(méi)有電位差，前后級(jí)沒(méi)有影響，并且輸入與輸出的電壓損耗很小，提高了使用的安全性。

5 整流模塊

??采用全橋式同步整流電路。
??利用4個(gè)整流二極管構(gòu)成“橋式”電路結(jié)構(gòu)，利用其交替導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)整流。如前所述由于整流二極管導(dǎo)通壓降的存在，會(huì)引起巨大的損耗。若將其中的4個(gè)整流二極管全部由通態(tài)損耗低的功率MOSFET管代替，即可構(gòu)成常見(jiàn)的全橋式同步整流電路。具體電路如圖19所示。

圖18 全橋式整流濾波電路

圖19 全橋式同步整流電路輸入電流波形

??與二極管橋式整流電路一樣，全橋式同步整流電路中的四個(gè)功率MOSFET管被分為兩組 $Q_1$、$Q_3$ 和$Q_2$ 、$Q_4$ ，由兩組PWM波$H_{\mathrm{O}}$,$L_{\mathrm{O}}$控制交替導(dǎo)通。$H_{\mathrm{O}}$,$L_{\mathrm{O}}$是頻率與輸入交流電頻率相同、占空比為50%的兩組PWM信號(hào)，可由專用控制IC或微處理器產(chǎn)生。在正半周，$H_{\mathrm{O}}$為高電平，驅(qū)動(dòng)$Q_1$、$Q_3$ 導(dǎo)通，$L_{\mathrm{O}}$為低電平，$Q_2$、$Q_4$ 關(guān)斷；在負(fù)半周，$H_{\mathrm{O}}$為低電平，驅(qū)動(dòng)$Q_1$、$Q_3$ 導(dǎo)通，$L_{\mathrm{O}}$為高電平，$Q_2$、$Q_4$關(guān)斷。同時(shí)，為避免$Q_1$、$Q_2$或 $Q_3$、$Q_4$ 兩個(gè)功率MOSFET管同時(shí)導(dǎo)通造成短路而損毀電源。$H_{\mathrm{O}}$,$L_{\mathrm{O}}$兩組PWM信號(hào)要加入一定量的死區(qū)時(shí)間。

??上圖圖20中，采用低損耗N溝道MOSFET替代了全波橋式整流器中的全部4個(gè)二極管，以顯著地降低功率耗散。同時(shí)采用凌力爾特公司的理想二極管橋控制器LT4320，作為控制器產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。LT4320可設(shè)計(jì)用于DC至60Hz電壓整流，LT4320開(kāi)關(guān)控制電路通過(guò)檢測(cè)輸入交流電壓的頻率自動(dòng)輸出兩組PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，平穩(wěn)地驅(qū)動(dòng)兩個(gè)適當(dāng)?shù)墓β蔒OSFET管導(dǎo)通，同時(shí)將另外兩個(gè)功率MOSFET管保持在關(guān)斷狀態(tài)以防止反向電流，實(shí)現(xiàn)同步整流。 相比于二極管橋式整流，同步整流的效率提高了接近3個(gè)百分點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)接近99%的轉(zhuǎn)換效率，極大地降低了損耗。

6 功率因數(shù)校正

??為了提高功率因數(shù)我們采用UCC28019實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。當(dāng)然你也可以不適用功率因數(shù)校正。直接在濾波之后接一個(gè)boost電路。根據(jù)要求在輸入端加入直流電壓由單片機(jī)產(chǎn)生一路PWM波，通過(guò)2104輸出兩路互補(bǔ)的PWM波，加載到兩個(gè)MOS管上，讓兩個(gè)MOS管交替導(dǎo)通，通過(guò)改變PWM的占空比來(lái)升到理想的電壓值（這里的boost電路沒(méi)有畫(huà)，看我前面所講就知道怎么做了）。

五.控制電路與控制程序的設(shè)計(jì)

??系統(tǒng)軟件流程圖如圖5.2所示。首先軟件初始化所有外設(shè)，等待按下相應(yīng)的指令按鍵，進(jìn)入模式選擇，分別使能SPWM設(shè)置模塊、逆變頻率設(shè)置模塊，電壓電流閉環(huán)控制模塊等。STM32通過(guò)內(nèi)部ADC采集，及時(shí)向單片機(jī)回饋電壓電流數(shù)據(jù)，然后通過(guò)濾波的算法進(jìn)行處理。最后根據(jù)所選的測(cè)量模式在OLED上顯示對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。

六、實(shí)物圖

采用功率因數(shù)校正

不采用功率因數(shù)校正

單片機(jī)所產(chǎn)生的SPWM波

通過(guò)2104將一路SPWM輸出為兩路互補(bǔ)的SPWM波

七、結(jié)束語(yǔ)

??改設(shè)計(jì)是18年參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的方案的核心部分，其中UCC28019的設(shè)計(jì)要注意很多地方，或者不采用功率因數(shù)校正，加上了更完美。

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2018年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽E題–變流器負(fù)載試驗(yàn)中的能量回饋裝置

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的2018年全国大学生电子设计大赛E题（变流器负载试验中的能量回馈装置）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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