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1、南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计（论文） 学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生： 指导教师： 完成日期 2014 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）高效率升压型AC-DC变换器的设计 Design of Efficient Booster Type AC - DC Converter 总 计: 26 页表 格: 3 个插 图: 14 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）高效率升压型AC-DC变换器的设计Design of Efficient Booster Type AC - DC Converter学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自
2、动化 学 生 姓 名： 学 号： 03 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology高效率升压型AC/DC变换器的设计高效率升压型AC-DC变换器的设计自动化专业 【摘 要】高效率升压型AC/DC变换器主要由整流滤波电路、开关电源芯片工作电路、输出滤波电路、欠压指示电路、过流报警及保护电路等电路单元构成。显示功能由数字电压表头来实现，将当前电压显示出来。整个电路板实现了交流24V到直流36V的转换，转换效率在90%以上，功率因数大于0.9，负载调整率小于1%。在设计的过程中，经过不断的修改和测试现已能够
3、实现基本功能要求。【关键词】AC/DC；半桥变换器；功率因数校正；均流Design of Efficient Booster Type AC - DC Converter Automation Specialty Abstract: High efficiency step-up AC/DC converter is mainly composed of rectifying filter circuit, switching power supply chip circuit, output filter circuit, undervoltage indicating circuit, o
4、ver-current alarm and protection circuit unit. Display function is realized by digital voltage meter which could display the current voltage. The whole circuit board achieved 24V AC to 36V DC conversion. Conversion efficiency is more than 90%, power factor is greater than 0.9, load adjustment rate i
5、s less than 1%. In the design process, through continuous modification and testing it has been able to achieve the basic functional requirements.Keywords Alternating current / direct current ; half bridge converter; power factor adjustment; current-sharing目 录1 引言12 系统整体方案设计与关键技术分析22.1 系统主要工作原理22.2系统
6、总体方案22.3方案论证22.3.1 升降压电路的选择22.3.2 PFC控制电路选择32.3.3 过流保护33 有源功率因数校正33.1 功率因数校正方法分类33.1.1 按有源功率因数校正拓扑分类33.1.2 按输入电流的控制原理分类43.2功率因数校正电路43.3功率因数测量电路53.4主电路及参数计算54 系统硬件设计74.1 AC/DC主电路设计74.2 PWM电路84.2.1 PWM电路84.2.2 PWM控制84.3 电路设计94.3.1 IGBT栅极特性94.3.2 正向导通特性144.3.3 动态特性144.3.4 IGBT的保护功能154.4 均流电路设计164.5 保护电
7、路设计175 系统测试17结束语18参考文献20附录21致谢26III1 引言概述电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各方面，是电子设备和机电设备的基础。可以说，凡是涉及电子和电工技术的一切领域都需要用到电源设备（或器件）。随着生产的发展和技术的进步，特别是各种具有整流入端的电力电子负载的广泛应用，即各种非线性的、时变的负载和设备的大量涌现，电力系统中产生大量谐波并对电力系统的安全运行产生威胁。目前绝大部分电子电源都采用非控二极管整流、滤波大电容和开关稳压电路结构，把AC电源变换成DC电源。这种AC/DC变换电路的输入电压虽为正弦波，但输入电流却发生了畸变。有源校正是在电
8、路中加入有源控制电路，使入端电流在一定程度上可控，从而校正电流波形，实现低谐波，高功率因数；有源校正电路比无源校正电路在效率、重量和成本等方面均有优势。有源校正方案在实现过程中，有降压变换型、升压变换型和反激变换型。国内研究现状：与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。国外研究现状：自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭
9、载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、SiliconGeneral公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司(PowerInt
10、egrations)在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用1。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简
11、外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。2 系统整体方案设计与关键技术分析2.1 系统主要工作原理该系统采用MC34063系列芯片为PWM控制单元，再加上外围的驱动电路、传感电路和检测电路电路等，可直接进行测试，故其具有可行性。2.2系统总体方案图1 系统总体电路图2.3方案论证2.3.1 升降压电路的选择 方案1：采用BUCK电路与Boost电路相结合的的组合电路，由单片机经继电器控制需要选择的电路模式，交流电压AC 24V经桥堆后电压会变成大于24V的DC.系统要求输出电压稳定在36V,此时单片机片经由AD采集转换判断经桥堆后的
12、的电压是大于36V还是小于36V，当小于36V时单片机通过继电器选择boost升压电路，反之选择buck电路。方案2：直接使用BOOST升压电路可以通过开关管IRF540调节输出的电压，开关管受AVR单片机产生的PWM波经由IR2104驱动IRF540的通断，输出电压Uo=Uin*(D/(1-D)公式中D为PWMD的占空比，这种方案简单易行容易上手。比较以上两个方案，方案2虽然简单易行对于软件的要求也比较低，可以很容易的实现升压。使电路的输出电压稳定在36V.所以综合以上考虑最终选择方案2。2.3.2 PFC控制电路选择方案1：无源功率补偿法，其基本原理是把具有容性功率负载的装置与感性功率负荷
13、装置并联在同一个电路中，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，而当感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量。能量在两种负荷中交换，感性负荷所吸收的无源功率可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿。一般才去的方法是并联电容法，但是由于无源功率补偿其功率因数一般达到70左右,不具有良好的补偿性.方案2：有源功率因数校正,目的在于改善电源输入功率因数,减小输入电流谐波.采用一级PFC技术,即将PFC级与DC/DC级输入的预稳，实现统一控制，采用TI的UCC28019，该芯片通过双闭环完成调制，内环为电流环，在连续电感电流的条件下使平均输入电流跟踪正弦是输出电压成正弦波。系统电压可由该芯片的VSENSE脚的
14、输入电压与芯片内部+5v的基准电压决定，实际应用中可以通过调节反馈回该引脚的电压即可实现输出电压的数字调节。综合以上考虑选择方案2。2.3.3 过流保护方案1：采用2.5A的自恢复保险丝，方案简单易行，满足系统要求。方案2：采用单片机控制继电器达到过流保护的目的，单片机通过片内AD采集系统输出电流，电流超过设定值时，单片机通过I/O口给继电器一个高电平使继电器跳闸电路断开，从而起到保护电路的目的，这种方法可以有很强的使用性可以满足系统的动作电流从2.3A到2.7A,动作电流范围广。综合以上考虑选择方案2。3 有源功率因数校正3.1 功率因数校正方法分类3.1.1 按有源功率因数校正拓扑分类 (1) 降压式因噪声大 ，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。（2）升降压式须用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。（3）反激式输出与
