1.前言

  我和电赛的缘分始于2020年北京市大学生电子设计竞赛。2020年因为新冠肺炎疫情只能在家参加电赛训练，当时是基于德州仪器（TI）MSP430系列的小实验和Proteus仿真，经过好几个月的折腾，最终却面临着比赛取消的通知，很是遗憾。2021年全国电赛也是一波三折，从四月开始备赛，中间面临着课程、实习、推免的各种事情。到了8月3日，比赛前一天，虽然感觉还没有准备得很充分，但还是准备一鼓作气拿下电赛。谁知学校带队的邹甲老师刚开完动员会，下午却迎来因为疫情推迟一周的通知，不得已又继续开始准备。到了第二天，通知又变成了无限期延期。作为队长的我瞬间没了动力，整个团队也松懈下来，毕竟比赛前几周的高强度备赛真的让人压力很大。一晃时间到了9月底，推免的事情基本已经忙完，比赛也确定在了11月4日，队里一位同学需要考研，另一位同学对电赛的事不上心，只能由我一人继续备赛。
  电赛的四天三夜让人很焦虑，我也经历了人生第一次通宵，不过好在结果并没有那么让人失望。整个北京市只有八支队伍选择B题，我校中国矿业大学（北京）选择了B题的两支队伍最终获得了北京市前两名。我这组是北京市B题唯一被推荐进入国赛的队伍，最终获得了全国二等奖。虽然感觉没有做到更好，但也算不负此行了。能在这里受立创邀请给大家分享经验也很荣幸。

2.团队介绍

  小组成员一共三人，分别是周健、杨瀚森、王雪蓓。杨瀚森来自应用化学专业，我和王雪蓓都来自电气工程及其自动化专业。很难想到作为“外行”的杨瀚森同学也加入到电赛的队伍中来，而且还是我们队算法和编程的主力军，为整个团队贡献了相当大的力量。我主要负责硬件，画板焊接调试样样都会，同时也负责代码的架构和队员培训管理。王雪蓓同学主要负责设计报告的撰写。 

3.项目分析

一、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。 
二、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。
  由于备赛期间一直使用的是德州仪器F28027开发板作为DSP，所以拿到题目我们也是毫不犹豫地选择了这款DSP作为主控芯片。硬件电路上，直接使用一级三相桥PWM整流电路出来的直流电压高于36V，故先用一个三相桥PWM整流电路将线电压为28V的三相交流电转换为50V左右的直流，再用一个同步PWM整流电路将直流降压为36V。为实现高功率因数整流，保证交流侧电压电流相位相同，控制策略上采用的是单周期控制。该方法简单方便，对传感器的要求少，只需采样交流侧的电流，直流侧的电压，而无需采样交流侧电压。

4.原理图电路分析

  三相整流桥选择三个半桥并联的拓扑，共用一条直流母线。相比使用三个独立全桥整流，硬件复杂度降低，不过控制起来会稍微麻烦一点。后级同步整流桥也是半桥结构。MOSFET选择铨力半导体（All Power）的AP70N100K，封装为TO-252，方便焊接。漏极电压UDS=100V，25℃下连续漏电流ID=70A，栅源电压UGS=4.5V时通态电阻Ron=10mΩ。
  半桥栅极驱动选择屹晶微电子（EGmicro）的EG2104，特性：高端悬浮自举电源设计，耐压可达600V；适应5V、3.3V输入电压；最高频率支持500kHz；低端VCC电压范围2.8V−20V；输出电流能力Io+/-2A/2.5A；内建死区控制电路；SD#输入通道低电平有效，关闭HO、LO输出；外围器件少；静态电流小于1μA ，非常适合电池场合。
  直流电压检测采用大电阻串联分压加跟随器的方式直接进行直流电压检测。分压电阻可并上合适的电容以滤除高频噪声干扰。
  交流电流检测采用霍尔电流传感器。南京奇霍科技（Chieful）的CSM005A是应用霍尔效应闭环原理的电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。原边额定输入电流5A，需±12V~±15V双电源供电。副边额定输出电流Is=25mA ，输出端测量电阻RM根据需要选择，一般在100Ω∼460Ω范围。交流输出需要调理电路才能进入ADC采样。
  辅助电源使用2W06G整流桥将28V交流电转换为直流电，再使用金升阳电源模块URA4815YMD-6WR3转换出±15V电压供给霍尔电流传感器，同时再用K78L05-500R3和K78L03-500R3转换出5V和3.3V的电压，分别供给栅极驱动EG2104和DSP TMSF28027。 

5.PCB设计分析

  PCB布局上，MOSFET发热严重区域应打散热孔，大面积铺裸铜，把热量引到更大面积的金属裸露区域以便有效发散。功率管附近一般不铺GND铜，以免对地产生过多开关噪声。功率地和信号地，信号地和模拟地之间要单点接地，方式之一是在连接处放置0Ω电阻。布线按100mil 5A的经验布线，可适当增加以减少电阻损耗。交流电附近需设置槽孔防止爬电，保证安全。 

6.实物展示

  作品实物图如下： 

7.作品装配

  测试部分效果图如下： 

8.程序设计

  见附件f28027_ac_dc.c和f28027_dc_dc.c。 

9.总结

  这次比赛能拿到国二离不开实验室邹甲老师和王迎迎老师的帮助，还有博士生袁巍学长很多次无私的培训和耐心的解答。经过电赛备赛这几个月的摸爬滚打，我对硬件的选型，PCB绘制，焊接，DSP编程有了比较深入的认识，也算是入门了电力电子。说来也巧，要不是因为电赛，我也不会在研究生阶段这么坚定地选择电力电子。来自应用化学专业的队员杨瀚森同学在我的影响下，也是打算从天体物体跨考到了电力电子，也算是电赛一个小小的收获吧。也希望每一位备赛的小伙伴都能在参加比赛的过程中有所收获，在实践中不断学习。

10.附件

  源码、文档、报告、演示视频见附件。