代码收藏家 2021年电赛国赛B题三相AC_DC问题总结及解析
作为今年的参与者在电力电子题目中B题AC_DC和C题DC_DC中选择了B题。起初究其题目来说，DC_DC相较于AC_DC较容易实现，但究其最终想获得更好的成绩最终选择AC_DC这题，这也意味着面临着各种风险和未知。
目录
一、题目分析
1.1AC_DC变换电路原理框图
对于设计该交变电压的直流电压变换，在理论上可以通过三相半桥电路进行转换，在本次比赛的设备中也可以达到相应硬件指标的要求。
图2
基本要求中第一项也就意味着整体电路的成型，如果第一步都没有能够实现后续都无法进行，即三相电路并网结构可以实现正常连接三相电网，并且与回路中的元器件进行连接保证电路在长时间里进行运作，电路不会出现故障，从而进行指标的测量。
1.2主要用到的方法：AC-DC变换 三相整流 PID算法
第一问主要使用单片机（我是用的是STM32F4系列的核心板）内部ADC进行变压器过来之后分压的电压采集，根据多组数组采集求均值进行PID快调控和慢调控从而达到控制第一问中输出电压Uo的电压稳定在36V±0.1V之间，首先就是需要明确控制的范围在哪里，很显然只需要根据DC_DC输出端的电压情况进行反馈控制升压参数。（这些都需要在三相电路可以实现并网的基础上进行操作，并网也需要调整三相的SPWM波的相序与其电网相同，否则会出现很多的事故，具体并网原理可网上搜寻）
1.3其中重点和难点如下
（1）AC-DC变换电路的效率要求高；
（2）AC-DC变换电路输入测功率因素不低于0.99；
（3）可设定自动调整功率因数。
1.4方案设计与选择
方案一：电压型AC-DC变换器，直流侧电压极性不变，功率方向随着直流电流的方向改变而改变，电压型变换器能力传递是双向的，输出电压的幅值、相角和频率都是可控的。
方案二：电流型AC-DC变换器，直流侧电流极性不变，功率方向随着直流电压的方向改变而改变，三相电流型AC-DC变流器和电压型AC-DC变流器一样，可以有效地消除输入电流纹波，实现交直流双向变换，限流能力强，短路保护可靠性。
电压型AC-DC变换电路直流侧输出电压纹波少，等级可调且母线稳定，网侧电流畸变小近似于正弦波且与电压相同，此事功率因数约为1，因此选择方案一。
1.5变换电路选择
方案一：AC-DC+DC-DC两级变换，AC-DC整流升压，DC-DC降压。
方案二：AC-DC一级变换。
AC-DC+DC-DC两级变换有利于调节和采样测试，因此选择方案一。
1.6 总体方案描述和系统框图
1.7提高效率方法
1.7.1降低辅助供电系统功耗
（1）关闭所有不使用GPIO口，因为本体对频率要求较低，选择降低单片机主频（Fmax=168MHz）为1/2，即F=1/2Fmax，以及一些不重要GPIO口的输出速度。
（2）外接低功耗显示屏进行显示。
1.7.2提高主功率变换回路效率
（1）提高三相PFC电路效率：采用三相六开关结构，合理选用通态电阻小、开关损耗小的功率管，减小滤波电感欧姆损耗，减小吸收回路损耗
（2）DC-DC降压电路中，MOS管栅极电阻越大，上升下降时间越大，相应的开关损耗越大，所以应减小MOS管栅极电阻；对于MOS管的导通损耗，与MOS管的导通电阻RDS有关，可以选择RDS较小电器件以提高效率；对于续流二极管可以选择VF小、反向恢复时间短的二极管以提高效率；对于输出电感，选择线圈直流电阻小的电感，并多股绕线。
1.8 功率因数调整方法
通过调节单片机输出SPWM波的相位进行功率因数的微调，由功率因数cosΦ=P/S，即交流电路中的电压与电流间的相位差经ADC采集到的电压与电流进行数据分析与计算得到功率因数的调节参数，并且选择适合电路的电感大小，取适中值。
二、电路设计
2.1主回路与器件选择
系统主回路包括AC-DC变换电路，DC-DC降压电路，LC滤波电路，电压采样电路组成，AD-DC与DC-DC半桥模块选择CSD19535KCS场效应管和IR2184芯片，电感取值350uH，采样电路使用ina282芯片。
图3 总体系统电路图
2.1.1三相AC-DC电路
图4 三相六开关PFC主电路
2.1.2DC-DC降压电路
用半桥设计出BUCK降压电路。实际电路如图5所示。
图5 半桥电路图
2.1.3电压采样电路
系统中需要采样DC-DC的输出电压控制电路，为了提高测量的精准度，采用ina282同时对电流进行采样，并通过电容滤波减少干扰。
对电流采样串联一个阻值较小的电阻，对电压采样并联一个阻值较大的电阻。可以使输出的电压和电流保持恒定状态。实际电路如图6所示。
图6 电压采样电路图
2.1.4触发同步电路
单片机同步触发电路选择使用LM339设计过零比较器，并加入二极管限压保护。
图7 同步电路图
2.1.5 LC滤波电流
系统采用LC低通滤波器滤除SPWM波带有的载波及谐波频率成分，以得到更好的正弦波形，滤波器截止频率计算公式为：
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（3） |
AC-DC电路输出频率50Hz为，载波频率为20KHz，依据公式设计取值L=400uH，C=47uF，计算得f=1160Hz。
三、程序设计
首先进行单片机程序初始化，单片机根据采样电压进行判断电路工作情况进行选择模式调整，当达到工作要求进行电路驱动即解锁三相以及输出SPWM波，通过触发进行相位调节后三相整流，在DC-DC输出端进行电压采样,经过PID反馈控制DC-DC输出端电压稳定在36V，并且在调整电路期间进行交流电压、电流采样反馈控制功率因数。
图8 软件流程图
四、总结
实测本系统可以满足上述的所有情况，主要细节方面需要在硬件上的选择有很多细节要求，程序设计中需要考虑单片机没有用的引脚口关闭，外设接入的功率损耗，以及显示功能等的功率消耗，一定要实现闭环调控，这样才能实现整个系统可以稳定运行，不会出现设备损坏，主要难度就是三相并网，功率因数调控，以及高精度PI调控稳压。（一定要有功率分析仪，不然基本做不了）
