A题：单相AC-DC变换电路
单相ACDC变换电路设计
题目：单相AC-DC变换电路（A题）摘要本设计综合考虑题目基本部分和发挥部分的指标要求，系统在AC-DC变换电路中采用基于SG3525的推挽式升压对交流信号经过整流滤波后的直流信号进行升压变换；由AD芯片TLC549和单片机STC89C51组成系统测控与显示单元，采用液晶显示器1602作为系统的状态和运行数据显示屏。
该系统由AC-DC变换电路，功率因数提高电路，测量与显示等几个模块构成。
通过实际测试，该系统在指定条件下能够使输出直流电压稳定在36V，输出电流额定值为2A；负载调整率，电压调整率，功率因数的测量与误差控制，输出过流保护功能等基本要求均得以实现；功率因数的校正达到了发挥部分的要求。
另外，系统还增加了实时输出电压电流数据显示等实用功能。
一方案论证1．DC-DC升压方式的比较与选择在AC-DC变换电路中，先对交流电压进行整流滤波得到直流电压，在对其进行DC-DC 升压变换。
因此首先选择DC-DC升压方式。
方案一：全桥加DC-DC变换方式。
脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断。
推挽式电源电压利用率高、输出功率大、能实现较大的升压比、两管基极均为低电平、输入输出隔离，驱动电路简单。
主要缺点：变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。
方案二：全桥加滤波器变换方式。
由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。
与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。
主要缺点：使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路较复杂。
方案三：全桥和PFC以及DC-DC变换方式。
利用控制芯片输出的PWM波形来控制开关管的通断，并设计合理的主电路上的电感电容值来控制开关管的通断时间，从而达到升压的目的。
这种电路使用的外部原件最少、调试容易、成本低、效率高。
缺点：负载侧电流波动大。
综合考虑，我们选择方案一。
2．功率因数调整方案的比较与选择方案一：有源功率因数校正电路。
单相ACDC变换电路设计
题目：单相AC-DC变换电路（A题）摘要本设计综合考虑题目基本部分和发挥部分的指标要求，系统在AC-DC变换电路中采用基于SG3525的推挽式升压对交流信号经过整流滤波后的直流信号进行升压变换；由AD芯片TLC549和单片机STC89C51组成系统测控与显示单元，采用液晶显示器1602作为系统的状态和运行数据显示屏。
该系统由AC-DC变换电路，功率因数提高电路，测量与显示等几个模块构成。
通过实际测试，该系统在指定条件下能够使输出直流电压稳定在36V，输出电流额定值为2A；负载调整率，电压调整率，功率因数的测量与误差控制，输出过流保护功能等基本要求均得以实现；功率因数的校正达到了发挥部分的要求。
另外，系统还增加了实时输出电压电流数据显示等实用功能。
一方案论证1．DC-DC升压方式的比较与选择在AC-DC变换电路中，先对交流电压进行整流滤波得到直流电压，在对其进行DC-DC升压变换。
因此首先选择DC-DC升压方式。
方案一：全桥加DC-DC变换方式。
脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断。
推挽式电源电压利用率高、输出功率大、能实现较大的升压比、两管基极均为低电平、输入输出隔离，驱动电路简单。
主要缺点：变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。
方案二：全桥加滤波器变换方式。
由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。
与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。
主要缺点：使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路较复杂。
方案三：全桥和PFC以及DC-DC变换方式。
利用控制芯片输出的PWM波形来控制开关管的通断，并设计合理的主电路上的电感电容值来控制开关管的通断时间，从而达到升压的目的。
这种电路使用的外部原件最少、调试容易、成本低、效率高。
缺点：负载侧电流波动大。
综合考虑，我们选择方案一。
2．功率因数调整方案的比较与选择方案一：有源功率因数校正电路。
AC-DC Converter(相控整流)
二、电感性负载（续4）
（二）当α ＝φ 时，电流临界连续
稳态情况波形分析（ 特征）：
输入电流is为正弦波，滞后于电 源电压的角度为φ ；相当于电源不 经晶闸管而直接对RL供电。 负载电流iD 是“正弦双半波”；
整流电压直流平均值
VD VD 0 cos 2 2
VS cos 0.9VS cos
2
sin 2 2
晶闸管电流平均值Iav :
I av
1 2
ID
VS 1 cos a 0.45 ( ) R 2
一、电阻性负载（续4）
(五)基本量的计算 (4)次级绕组电流有效值IS＝负载电流有效值IL
IS IL 1
a
2V S R
VS sin t d ( t ) R
[cos cos( )]
VD 和ID与控制角α及导通角θ有关
二、电感性负载（续3）
负载断流时，输出整流电压、电流等参数的计算
VD
*
VD VD0
2
VD 2V S /
di D dt
1 2
D
[cos cos( )]
( 5 38 )
2 V S sin t L
90
0.45 2.57 0.707
120
0.226 2.97 0.427
150
0.006
180
0 0
IS/ID 功率因数PF
2.80 0.17
单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与α的关系曲线
PF
1.0 PF
5 4 3 2 1 30 60 90 120 150 180
单相AC DC变换电路
2013 年全国大学生电子设计竞赛 AC-DC变换电路（题）A单相【第五组】月年201397日- 1 -摘要本设计以TI公司的MSP430F149单片机为控制器，采用了TI公司的UCC28019芯片，搭建了一个单相AC-DC变换电路。
本系统由变压器模块、AC-DC变换电路、功率因数检测电路、功率因数调整电路和电流检测电路等组成。
在实验装置的电源电路中，对电源的输出直流电压、直流电流和电源的功率因数进行了测量，并通过键盘对电源的输出直流电压进行设定。
实验结果表明，当电源的进线交流电压和负载电流，在比较宽的范围内变化的时候，电源的输出电压能够保持较高的稳定性；具有过流和过压的保护功能。
利用UCC28019功率因数校正功能，将电源装置的功率因数提高到了0.98以上，并能够将功率因数在0.8-1.0之间调整，达到了预期的目标。
关键词：MSP430F149单片机、UCC28019、AC-DC变换、功率因数。
- 2 -一、方案论证设计并制作如图所示的单相AC-DC变换电路。
输出直流电压稳定在36V，输出电流额定值为2A。
系统总框图１、PFC模块方案一：采用无源PFC电路。
无源PFC电路不使用晶体管等有源器件，而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。
采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.7～0.8。
方案二：采用有源PFC电路，有源PFC由电感电容及电子元器件组成，体积小，可以达到很高的功率因数，基本可以达到98%以上，但成本要高出无源PFC一些。
本电路采用是UCC28019芯片。
UCC28019的VINS采集整流后的电压，通过ISENSE 端口采集电流来跟踪采集的电压，减小失真度。
VSENSE端口检测反馈电压，在内部进行比较，从GATE端口输出电压，来驱动MOSFET开关管工作，而且内部具有过压过流保护功能。
该芯片具有较强- 3 -功率因数矫正功能，使用该芯片能使输入的电压、电流的信号的相位差大大减小，功率因数可以提高到0.98以上，从而提高电路有功功率。
智能控制单相AC—DC电源设计
智 能 电源是 一 个 完 整 的 软 件 与 硬件 相 结合 的 复 杂 系统 ，智 能 电源未来 发 展 的重要 主题 就是 高 能效 。 首 先要 对 电源 系统 进 行 控 制 管 理 以 及 采集 各 种 工作
信 息参 数 的硬 件 设 备 ，然 后 通 过 智 能 电源 系 统 里 面
送来 的 ２ ４ Ｖ交 流 电 ，经过 全 桥 整 流后 变 为 不太 稳 定
的直 流 ，然后再 经 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 型电路 变换后 ，输 出稳 定 的
３ ６ Ｖ直 流 。 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 型 变 换 电路 利 用 Ｓ Ｇ ３ ５ ２ ５ Ａ 输 出 的
Ｐ ＷＭ 波 来控 制 开 关 管 的 通 断 ，从 而形 成 升 压 型 Ｄ Ｃ
反馈 电压来控 制输 出 Ｐ ＷＭ 波 的 占空 比 ，从而 控制 开 关 管 的导通 时间 ，最终 实现 输 出稳 压控 制 。
为 了实 现远 程 操 控 ，利 用 蓝 牙 技 术将 系 统 与 电 信 网络 连接 ，实 现 系统 与 手 机 问 相 互通 讯 。 系 统 可 以将 电源状 态参 数 发 送 到 手 机 ，用 户 可 以通 过 手 机
１ １ ０ 一ຫໍສະໝຸດ 高 校 实 验 室 工 作 研 究
总第 １ １ ８期
Ｄ Ｃ变 换 电 路 ， 而 且 还 可 以 将 输 出 端 电 压 反 馈 给
检 测 电路 中电 流和 电压 ，然 后 将 这 两 路 信 号 送入 控 制器 ＭＳ Ｐ ４ ３ ０的定 时 器捕 获 端 口 ，经 该 单 片 机 检 测 和计算 之后 ，便 可得 到此 信号 的功率 因数 。
ｌ 方 案 设 计
当前 ，智 能 电源主要 解 决 的 问题 是 ：提高 效 率 、
历年年全国大学生电子设计竞赛题目
2015年全国大学生电子设计竞赛题目【本科组】双向DC-DC变换器（A题）风力摆控制系统(B题）多旋翼自主飞行器（C题）增益可控射频放大器（D题）80MHz-100MHz频谱分析仪（E题）数字频率计（F题）短距视频信号无线通信网络（G题）第一届（1994年）第一届（1994年）全国大学生电子设计竞赛A.简易数控直流电源B.多路数据采集系统第二届（1995年）第二届（1995年）全国大学生电子设计竞赛A.实用低频功率放大器B.实用信号源的设计和制作C.简易无线电遥控系统D.简易电阻、电容和电感测试仪第三届（1997年）第三届（1997年）全国大学生电子设计竞赛A.直流稳定电源B.简易数字频率计C.水温控制系统D.调幅广播收音机第四届（1999年）第四届（1999年）全国大学生电子设计竞赛A.测量放大器B.数字式工频有效值多用表C.频率特性测试仪D.短波调频接收机E.数字化语音存储与回放系统第五届（2001年）第五届（2001年）全国大学生电子设计竞赛A.波形发生器B.简易数字存储示波器C.自动往返电动小汽车D.高效率音频功率放大器E.数据采集与传输系统F.调频收音机第六届（2003年）第六届（2003年）全国大学生电子设计竞赛A.电压控制LC振荡器B.宽带放大器C.低频数字式相位测量仪D.简易逻辑分析仪E.简易智能电动车F.液体点滴速度监控装置第七届（2005年）第七届（2005年）全国大学生电子设计竞赛A.正弦信号发生器B.集成运放测试仪C.简易频谱分析仪D.单工无线呼叫系统E.悬挂运动控制系统F.数控恒流源G.三相正弦波变频电源第八届（2007年）第八届（2007年）全国大学生电子设计竞赛A.音频信号分析仪B.无线识别C.数字示波器D.程控滤波器E.开关稳压电源F.电动车跷跷板G.积分式直流数字电压表H.信号发生器I.可控放大器J.电动车跷跷板第九届（2009年）第九届（2009年）全国大学生电子设计竞赛A.光伏并网发电模拟装置B.声音导引系统C.宽带直流放大器D.无线环境监测模拟装置E.电能收集充电器F.数字幅频均衡功率放大器G.低频功率放大器点阵书写显示屏I.模拟路灯控制系统第十届（2011年）A.开关电源模块并联供电系统B.基于自由摆的平板控制系统C.智能小车D. LC 谐振放大器E.简易数字信号传输性能分析仪F.帆板控制系统G.简易自动电阻测试仪H.波形采集、存储与回放系统第十一届（2013年）A.单相AC-DC变换电路B.四旋翼自主飞行器C.简易旋转倒立摆及控制装置D.射频宽带放大器E.简易频率特性测试仪F.红外光通信装置G.手写绘图板J.电磁控制运动装置K.简易照明线路探测仪L.直流稳压电源及漏电保护装置第十二届（2015年）【本科组】双向DC-DC变换器（A题）风力摆控制系统(B题）多旋翼自主飞行器（C题）增益可控射频放大器（D题）80MHz-100MHz频谱分析仪（E题）数字频率计（F题）短距视频信号无线通信网络（G题）【高职高专组】LED闪光灯电源（H题）风板控制装置（I题）小球滚动控制系统（J题）获奖状况。
单相AC-DC变换电路
单相AC-DC变换电路摘要本设计利用BOOST型PWM全桥整流电路和BUCK型DC-DC电路两级电路实现将20V-30V的交流电压变换成36V的直流稳压输出，并实现对交流输入端的功率因数校正和能够根据设定调整功率因数。
其中，对于前级升压整流电路是利用输入电压过零比较器、前级输出电压和交流输入电流的双闭环PID控制来产生合适的SPWM驱动波形控制两桥臂的低管，从而实现对交流输入电流波形的正弦化、提高功率因数以及升压的目的。
另外，通过过零比较器以及单片机程序控制产生相应的PWM波形来控制两桥臂的高管从而产生预先设定的相移，实现功率因数的准确调整。
而后级BUCK电路则是通过简单的电压闭环控制实现输出直流电压稳压。
此外，本设计还带有液晶显示，按键模块，功率因数测量等功能。
关键字：PFC、BOOST、PWM全桥整流目录摘要 (1)一、方案论证与比较 (3)1.1 AC-DC和功率因数校正方案比较 (3)1.2 单片机选型 (3)1.3 电流采样电路方案比较 (4)二、理论分析与计算 (4)2.1 提高效率的方法 (4)2.2 功率因数调整方法 (5)2.3 稳压控制方法 (5)三、电路与程序设计 (7)3.1 电路设计 (7)3.2 程序设计 (10)四、测试方案与测试结果 (10)4.1 测试条件 (10)4.2 测试数据 (10)4.3 测试结果分析 (11)五、总结 (12)六、参考文献 (12)附录 (13)一、方案论证与比较：1.1 AC-DC和功率因数校正方案比较：方案一：交流输入经过不控整流后经BOOST型模拟控制PFC电路（利用UC3854控制）和BUCK电路，达到整流和功率因数校正的目的，控制方式为输入电压为20-25V时，采用BOOST-BUCK两级变换；输入电压为25V-30V时直接将BOOST设置为直通，只用BUCK电路控制。
此方案的优点是控制简单，调试简易，但缺点是效率低，灵活性差，不能实现对功率因数的调整。
实验51-DC-AC SPWM单相全桥逆变电路设计及研究
实验五十一DC/AC SPWM单相全桥逆变电路设计及研究（信号与系统—自动控制理论—检测技术－电力电子学综合实验）一、实验原理SPWM单相全桥逆变电路的主要工作原理是依靠四个开关管的通、断状态配合，利用冲量等效原理，采用正弦脉宽调制（SPWM）策略将输入的直流电压变换成正弦波电压输出。
SPWM的调制原理是通过对每个周期内输出的脉冲个数和每个脉冲宽度来调节逆变器输出电压的频率和幅值。
要使输出的电压波形接近标准的正弦波，就要尽量保证SPWM电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效。
除要求每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲宽度还必须很窄，这就需要在一个正弦波形内脉冲的数量很多。
脉波数量越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉冲电压就越等效于正弦电压。
目前，在电力电子控制技术中，SPWM技术应用极为广泛，SPWM波形的形成一般有自然采样法、规则采样法等等。
前者主要用于模拟控制中，后者适用数字控制。
本实验采用的是DSP控制的单相全桥逆变电路，采用对称规则采样法。
对称规则采样的基本思想是使SPWM波的每个脉冲均以三角载波中心线为轴线对称，因此在每个载波周期内只需一个采样点就可确定两个开关切换点时刻。
具体算法是过三角波的对称轴与正弦波的交点，做平行于时间轴的平行线，该平行线与三角波的两个腰的交点作为SPWM波“开通”和“关断”的时刻。
由于在每个三角载波周期中只需要进行一次采样，因此使得计算公式得到简化，并且可以根据脉宽计算公式实时计算出SPWM波的脉宽时间，可以实现数字化控制。
图51-1 对称规则采样法生成SPWM波根据相似三角形定理，可以分析出图1对称规则采样法生成的SPWM波脉宽时间T n为：()21sin n n T T MN Nπ−= (51-1) 式中，M 为调制度，T 为正弦调制波周期，N 为载波比。
本实验中程序采用DSP 控制方式，载波频率固定为10KHZ ，调制波频率为50HZ 频率。
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A题：单相AC-DC变换电路
1.电力电子类题目特点
“大”电流、安全电压（选器件） 常以电源形式出现 负载能力，负载、电压调整率 4 种基本变换电路 效率问题 波形 测量问题（谐波影响）
2 2020/12/1
2.历年题目
2005年：三相正弦波变频电源（AC-DC-AC)
开关稳压电源
隔离 U1= 220V AC 变压器 U2=18VAC
整流 滤波
IIN UIN
DC- DC 变换器
IO
UO
RL
要求： 负载能力
效率 波形 电压调整率 负载调整率 保护 检测显示
4 2020/12/1
2009年：光伏并网发电模拟装置（DC-AC）
设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。 用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=30Ω~36Ω； uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为 45Hz~55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将 uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=30Ω~36Ω。
要求： 负载能力
效率 波形 功率分配 保护 检测
2020/12/换电路（AC-DC）
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，输出电流额定值为2A。
IS
220V ~
变压器
US
要求： 负载能力
电压调整率
负载调整率
保护
检测显示
8 2020/12/1
4.评测
方案选择 PWM整流、不控整流+Boost+PFC
设定问题 可调（有级与无级） 隔离变压器
9 2020/12/1
5.命题 避免重复（以后的题目）
安全 易上手（多数同学都能做） 有难度（多数同学做不好） 易测（赛区专家、学生）
10 2020/12/1
谢 谢！
11 2020/12/1
设计并制作一个三相正弦波变频电源，输出线电压有效值为36V， 最大负载电流有效值为3A，负载为三相对称阻性负载(Y接法)。
220VAC
要求： 负载能力
对称 波形 电压调整率 负载调整率 保护 检测显示
隔离 变压器
2020/12/1
整流
逆变 控制器
三相 负载
3
2007年：开关稳压电源（DC-DC）
设计并制作开关稳压电源。输出电压UO可调范围：30V～36V； 最大输出电流IOmax：2A。
高功率因数
功率因数可调
2020/12/1
AC - DC 变换器
IO
UO
RL
7
题目第一稿：
设计并制作如图所示的单相PWM整流电路。电源电压Us为30V，额定 频率 f=50Hz，电阻性负载，输出电压 Uo=50V，最大输出电流 Io=2A。
要求： 负载能力
电压调整率 负载调整率 输入电流波形 检测显示 高功率因数 功率因数正负可调
负载能力 效率 波形 最大功率跟踪 保护 检测
RS
+
US
-
Id
+
Ud
DC- AC
-
uREF
控制电路
i o1
io
T
滤
n1
n2
波 器
uo1
uo RL
n3 uF
5 2020/12/1
2011年：开关电源模块并联供电系统（DC-DC）
设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8V DC/DC模块 构成的并联供电系统。