2021年B题——三相AC-DC变换电路 STI炸电容小分队 - 嘉立创EDA开源硬件平台

## 1.前言 此次电赛参赛时，我们小组的三人都已经保研，因此这是一场无关个人利益，为了荣誉而战的比赛，所以令我非常印象深刻。 在这里也要非常感谢华中科技大学电工电子科技创新中心的Power On团队的同学、助教和老师们的帮助，没有你们，也没有今年基地辉煌的成果！ ## 2.团队介绍 我们团队都来自于华中科技大学电工电子科技创新中心（下称“基地”），我们从大一开始就加入了基地，直到今年大四参赛，我们在基地度过了非常多的学习时光，也参加了各种各样的比赛、培训。 我们团队分工为三部分：两个硬件和一个软件。 包浚炀主要负责硬件的模块制作；周清越主要负责硬件的主电路制作；胡茜婕主要负责软件代码编写调试。 ## 3.项目分析 任务：设计并制作图 1 所示的三相 AC-DC 变换电路，该电路的直流输出电压 Uo应稳定在 36V，直流输出电流 Io额定值为 2A。  要求 1.基本要求 （1）交流输入线电压 Ui=28V，Io=2A 时，Uo=36V±0.1V。 （2）当 Ui=28V，Io在 0.1A～2.0A 范围内变化时，负载调整率 SI ≤ 0.3%。 （3）当 Io=2A，Ui 在 23V～33V 范围内变化时，电压调整率 SU ≤ 0.3%。 （4）在 Ui=28V，Io=2A，Uo=36V 条件下，AC-DC 变换电路的效率 η 不低于 85%。 2.发挥部分 （1）在 Ui=28V，Io=2A，Uo=36V 条件下，AC-DC 变换电路输入侧功率因 数不低于 0.99。 （2）在 Ui=28V，Io=2A，Uo=36V 条件下，AC-DC 变换电路的效率 η 不低于 95%。 （3）三相 AC-DC 变换电路能根据数字设定自动调整功率因数，功率因数调整范围为 0.90~1.00，误差绝对值不大于 0.02。 （4）其他。 ## 4.摘要 本系统由三相PWM整流电路、Buck降压电路、测量电路、控制电路、辅助电源组成。系统使用STM32F407ZGT6作为主控制器，通过锁相环计算电网电压相位，在dq坐标下对整流器输入电流的幅值、相位直接控制。整流器输出50V直流母线电压，经过Buck降压电路后输出36V的稳定直流电压。在额定工况下，系统输入功率因数不低于0.998，并可以在0.90~1.00的范围内任意设置，步进值0.01；输出直流电压稳定，负载调整率和电压调整率均小于0.05%，且整机效率可达96.2%。此外，系统还有过压过流保护功能和良好的人机交互界面。 ## 5.系统方案详述 系统由主电路、测量电路、辅助电源电路、控制电路组成。其中主电路由整流电路与降压电路级联组成，前级采用三相PWM整流拓扑，实现了AC-DC变换；根据三相PWM整流器的输入输出电压关系可得，电路在题设输入电压范围内无法恒定输出36V直流电压，故后级采用Buck拓扑，实现恒压输出。测量电路实现了对输入电压、电流和输出电压、电流的测量。总体方案如图所示。  ### 5.1 主电路与器件选择 主电路前级采用三相PWM整流拓扑，后级采用Buck拓扑。电路示意图如图所示。   根据SVPWM调制比M与电压的关系，线电压Ui最大33V，可以计算得出，直流母线电压Ubus最大值至少为46.7V，选择50V最大母线电压以留取裕量。 #### 开关管选型： 电路中开关管的最大电压应力为50V，留取裕量，选取100V耐压值的开关管。为减小电路的导通损耗和开关损耗，开关管的导通电阻和寄生电容越小越好。选择德州仪器公司的MOSFET，型号为CSD19533KCS，其导通电阻为8.7mΩ，栅极电荷为27nC，符合上述要求。 #### 整流器电感电容设计： 滤波电感设计：额定输入三相线电压Ul=28V，此时直流母线电压Ubus=42V，可以计算得调制比M=0.94。电路母线额定输出电流Ibus=1.8A。开关频率fs=20kHz，取电感电流最大纹波率r=0.3，根据式(1)，代入参数可计算得Ls=1.9mH。由于每线电压滤波电感为两个半桥桥臂电感感值之和，实际选择950μH的电感。  输出电容设计：输出母线电容用于支撑母线电压。由于三相输入功率恒定，母线电压波动主要来自于输出侧的Buck电路。根据式(2)，输出电流Iout=2A，开关频率fs=20kHz，占空比D=0.72，取电压脉动为0.1V，可以计算得Cbus=720μF,实际选择1000μF的电解电容。  #### Buck变换器电感电容设计 滤波电感设计：输出直流母线电压Ubus=50V，额定输出直流电压Uo=36V，计算得占空比D=0.72。电路母线额定输出电流Io=2A。开关频率fs=20kHz，取电感纹波率r=0.3。根据式(3)，代入参数计算可得Lo=840μH。故选取Lo=840μH的电感。  滤波电容设计：滤波器截止频率fc小于开关频率的0.1倍时可获得较好的滤波效果。取C=47μF的电解电容，计算可得截止频率为800Hz，满足要求。 ### 5.2 控制程序设计 系统采用STM32F407ZGT6作为控制器。控制系统分为整流器输入电流控制和BUCK输出稳压控制两部分，两部分同时运行。程序流程图如图4所示。  #### 整流器控制策略 根据直接电流控制的相关原理，控制环路分为锁相环与整流控制环路。系统通过数字锁相环计算电网电压的频率和相位，并根据该相位建立同步旋转的dq坐标系。整流控制环路中各参量坐标均基于该dq坐标系。 整流控制环路如图所示，分为电压外环与电流内环。电压外环稳定直流母线电压，外环控制器输出作为电流d轴指令。电流内环采用电网电压前馈和dq电流解耦控制，可以实现d轴和q轴电流的独立控制，并且拥有较好的动态性能。电流内环控制输入电流，且电流d轴分量为有功分量，q轴分量为无功分量，因此按照功率因数关系，设置q轴电流指令，即可实现功率因数的任意设置。  #### Buck电路控制策略 后级选用Buck拓扑，采用电压PI控制器实现输出电压的稳压控制。此外，利用电压前馈解耦控制，将直流母线电压与控制器解耦，使母线电压波动的情况下输出电压可以保持稳定，提高了系统的稳定性。控制框图如图6所示。  ## 6.总结 本系统为三相AC-DC变换电路。系统由两级变换器组成，前级采用PWM整流拓扑实现AC-DC变换；后级采用Buck拓扑，稳定直流输出电压。系统以STM32F407ZGT6作为主控制器，当系统工作在额定工况时，整机效率96.2%，输入侧功率因数为0.998，并且功率因数在0.90-1.00范围内可调，误差小于0.02。除此之外，系统的负载调整率和电压调整率均小于0.05%。与此同时，系统还具有过流过压保护功能和良好的人机交互界面。 本次比赛比较好的锻炼了我们三个人的团队合作能力，也发挥了我们三年来的电力电子技术的积累和学习成果，再次感谢电工电子科技创新中心的大家！ ## 7.视频展示  视频链接： [https://www.bilibili.com/video/BV1bS4y1f7bD?share_source=copy_web](https://www.bilibili.com/video/BV1bS4y1f7bD?share_source=copy_web)