2020年全國大學生電子設計競賽：單相在線式不間斷電源
2022-06-16
概述 2020年全國大學生電子設計競賽基本落下帷幕。 上一篇出了：「電賽分享」電源題，省一等獎！本篇主要是關于B題：單相在線式不間斷電源。
此電源系統(tǒng)的大體電路模塊可分為控制電路、整流電路、Boost升壓電路、單相逆變電路、交流直流采樣電路、輔助電源電路。 經過分析，系統(tǒng)以STM32F103RCT6作為主控芯片，采用Boost升壓電路對輸入電壓升壓，使逆變之前的直流電壓維持在60V以上，從而使電壓和負載調整率大大提高； 采用全橋式DC-AC變換器，極大的提高電源工作效率；采用單極性SPWM調節(jié)來降低諧波分量，從而減小輸出波形的失真度；
方案分析 通過對賽題的分析研究，我們認為，要完成題目需要滿足以下幾個指標： 1）無論交流供電還是直流供電時，輸出電壓都要滿足=30V0.2V。 2）在指標1的條件下單片機閉環(huán)調制使負載調整率和電壓調整率盡可能低。 3）在滿足以上的的條件下，使電路整體的效率盡可能高。
圖1 系統(tǒng)整體方案圖
2.1整流方案采用全橋整流電路。全橋整流電路是對半波整流的改進，利用二極管單向導電性進行整流。橋式整流電路克服了全波整流電路要求變壓器次級有中心抽頭和二極管承受反壓大的缺點，實際應用廣泛。
2.2DC-AC變換器方案采用全橋逆變電路。全橋逆變電路中互為對角的兩個開關同時導通，而同一側半橋上下兩開關交替導通，將直流電壓轉換成幅值為的交流電壓，通過改變開關的占空比改變輸出電壓。
2.3DC-DC變換器方案采用Boost升壓式DC-DC變換器。開關的開通和關斷受外部PWM信號控制，通過改變PWM控制信號的占空比可以相應實現輸出電壓的變化。該電路采用直接直流升壓方式，電路結構較為簡單，損耗較小，效率較高。
2.4PWM模式采用單極性PWM控制模式。單極性調制方式的特點是在一個開關周期內兩只功率管以較高的開關頻率互補開關，保證可以得到理想的正弦輸出電壓；另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而很大程度上減小了開關損耗。 但又不是固定其中一個橋臂始終為低頻，另一個橋臂始終為高頻，而是每半個輸出電壓周期切換工作，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，在選用同樣的功率管時，能使其使用壽命均衡，增加了器件可靠性。
理論參數計算3.1 Boost升壓電路的電感電容參數計算電感計算：
其中f=1/T，電感電流變化量ΔI，K的設計經驗值取10%-20%，為輸出電流最大值，電感要取最大值，取最大值，D取最大值。
則電容計算：
其中ESR電容等效串聯(lián)電阻，由分析得知輸入電容電流的變化量是由電感電流變化引起的，且電感電流增加量等于電容電流減少量，所以輸入電容與輸出電容的計算方法相同。3.2LC濾波電路的參數計算對于逆變器LC的選擇，對于L和C的參數：
一般取額定負載的0.4-0.8倍，一般取開關頻率的0.04-0.1倍3.3開關頻率的選擇開關頻率和MOS管的功耗有很大關系，頻率越高，產生的損耗就越大。在較低的電路工作頻率可以降低損耗，但是輸出電壓脈動會增大，所以選擇允許的頻率范圍內較低的頻率。 合適的開關頻率范圍大致在10kHZ-60kHZ之間，我們本系統(tǒng)選取開關頻率為20KHZ,可以降低損耗。
硬件電路4.1整流橋與直流輸入電路全橋整流是用四個二極管將交流電轉化成直流電，電容在電路中濾波，接入下一級電路。直流輸入通過二極管進行切換，使得在交流電輸入時直流電斷開，交流電輸入斷開的時候直流電能迅速接入電路。
圖2整流橋與直流輸入電路 4.2Boost升壓電路使用IR2104驅動電路來驅動MOS管控制其開關。當MOS管導通時，電感以的速度充電，把能量儲存在L中。當開關截止時，L產生反向感應電壓，通過MOS管Q2把儲存的電能以的速度釋放到輸出電容器C2中。
圖3整流橋與直流輸入電路 4.3單相逆變電路單相全橋逆變電路由四個MOS管及其驅動輔助電路構成，工作時Q1與Q4通斷互補、Q2與Q3通斷互補。當Q1、Q3閉合，Q2、Q4斷開時，負載電壓Uo為正; 當Q1、Q3斷開，Q2、Q4閉合時，負載電壓Uo為負。Q1、Q3和Q2、Q4交替導通，使得負載上獲得交流電能。 當負載不是純電阻時，負載電壓和負載電流不是同相位，這時MOS管的寄生二極管D1-D4則起著電流續(xù)流的作用。
圖4單相逆變電路 4.4MOS管驅動電路MOS管驅動電路采用驅動芯片IR2104驅動外置MOS管實現，IR2104型半橋驅動芯片能夠驅動高端和低端兩個N溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅動電流，并具有硬件死區(qū)、硬件防同臂導通等功用。
圖5MOS管驅動電路 4.5信號調理電路直流采樣電路通過電阻分壓從主電路上采集電壓信號輸入，然后輸入運算放大器，將電壓信號進行縮小,經過LC無源濾波器濾波后輸出0-3.3V的電壓信號，進入單片機進行AD轉換。
圖6直流采樣電路
軟件設計5.1整體框架
圖7對應硬件部分
圖8對應最小系統(tǒng)模塊 5.2系統(tǒng)思路單相逆變控制是通過STM32MCU的PWM模塊，以高頻率的可控占空比PWM(SPWM)波控制MOS管的關斷，實現由直流轉為交流的過程。單相逆變穩(wěn)壓思路是通過采樣電路對逆變電路的輸出端進行采樣，由MCU ADC模塊進行采集并對其進行PI調控后使電路電壓趨于穩(wěn)定。主程序流程圖如下圖所示：
圖9主程序流程圖
要使得輸出電壓穩(wěn)定在30V，要使逆變器的輸出=30V,利用ADC對其采樣得到輸出電壓有效值，實現對輸出電壓的實時監(jiān)測和調控。 PI穩(wěn)幅的實現是計算ADC采樣值與輸出電壓值的誤差,將其誤差轉化為調制載波比的增量。對載波比采用增量式PI的算法進行調節(jié)； 通過調節(jié)調制載波比來調節(jié)輸出功率大小，當輸出電壓>時，減少調制比載波，使輸出功率減少，使下降，當輸出電壓
責任編輯：xj
原文標題：「2020年電賽」電源題詳細技術方案，立即收藏！
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