小编参加了三届全国大学生电子设计大赛，因此，留下这个电源问题，提出详细的方案和设计思路步骤，供后来者学习。如有不足，请留言提问。点击此处访问小编的个人站：www.zhiguoxin.cn。
能量反馈装置
??电能是人们生活中必不可少的能源，随着科技和社会的进步，用电需求迅速增加。然而，许多设备的能量不能双向流动，导致电能浪费。众所周知，能量是守恒的，生活中的许多能量往往被转化为无需甚至有害的热能，被浪费。因此，能量反馈系统已成为充分利用能量的有效途径。如果能有效地将再生电能返回电网供应给周围的其他设备，就能达到能量反馈和节能的目的。 
一、方案论证
1.逆变控制方案选择
??方案1:用硬件产生正弦波和三角波。将正弦波作为基波，三角波作为载波，输入模拟运放比较器进行比较，然后输出 SPWM 波，由于三角波和正弦波焦点的任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，增加了其计算的繁琐性，硬件频率调整非常困难，不易调试。 ??方案二:专用 SPWM 集成模块，但电源电压有限，价格昂贵。 ??方案三：由带有 PWM 使用正弦表扫描法生成功能的单片机 SPWM，驱动逆变电路，此方案控制电路简单，由软件产生的SPWM振幅频率容易控制，产生的SPWM波质量较好。 综上所述，本设计方案采用第三种方案。
2 DC/AC论证和选择变流器拓扑方案
??方案1：推拉式。这种方式的逆变器由两个功率管驱动，两个功率管相互分离。其拓扑结构为方波逆变器，但该结构对系统各设备的性能参数要求较高，因为电路中对各部件施加的电压较高。 ??方案2：半桥式。半桥式电路只需要两根电源管，电路简单，但电源利用率低。同时，电源管将不完全导通，导致电路损耗大。此外，该方案需要两种电源来输出交流信号。 ??方案3：全桥逆变器。它由两个半桥组成，电路结构非常成熟，性能非常稳定，开关电流也非常小。在四个功率管中，两个相互交叉的功率管同时引导，同一侧臂上下两个功率管轮流引导。该结构效率高，无用信号少，输出信号对称，功率大，电源简单。 ??综上所述，全桥逆变器产生的无用波较少，因此更容易滤波输出，同时在频率较低时，效率会很高，
3 论证和选择滤波器方案
??方案一：L型式滤波器只需要一个电感，可以有效抑制纹波，但对高频信号的衰减不是很好。高频信号只有在电感或开关频率很高时才能有效衰减。 ??方案二：LC型式滤波器与L型滤波器的区别在于在L型滤波器的基础上添加了由C组成的低通滤波器，可以有效地过滤电路中产生的高频成分和干扰信号LC滤波器的通频带比普通滤波器宽，运行可靠性高，价格低。 ??综上所述，第二种方案更适合本次设计，因此采用方案二。
4 论证和选择连接单元
??方案一：变流器一（DC-AC）与变流器二(AC-DC)直接连接，电路简单，但地线会耦合在一起，无法识别高低电位，电流不会工作。 ??方案二:变流器一（DC-AC）与变流器二(AC-DC)中间加1:1隔离变压器，可有效避免环流。虽然在使用过程中会有损失，但效率仍然很高，可以达到95%。 ??综上比较，
5 AC/DC次回路拓扑方案的论证和选择
??AC到DC整流电路需要实现转换，因为需要能量反馈，所以AC-DC的输出要与逆变器一输入相连形成回流，因此需要在整流之后加上升压电路。 ??方案一:桥式整流和单流MOS的Boost升压电路构成变流器二（AC-DC），这种拓扑结构MOS当管道处于闭合状态时，电流逐渐增加，电流增加会大大降低二极管上的功耗和电路效率。 ??方案二:桥式整流与同步Boost升压电路构成变流器二（AC-DC），同步的Boost两路通过升压电路PWM波控去MOS导通，让两个MOS管轮流导通，大大降低了电路的功耗，提高了整体效率，便于控制，整体效率高达95%。 ??综上比较，
二、系统整体框架
??整个系统的设计(如下图2所示)由；其中MOSFET驱动电路采用自带死区的桥式驱动芯片2104驱动，采样电路采用高精度电流互感器和LM交流电采样358高增益运放，功耗低STM32F103单片机作为核心控制模块；全桥逆变器STM32F103单片机生产的四路SPWM脉冲来控制MOS单相交流电和断开产生单相交流电。SPWM中脉冲的频率等于交流电输出的频率。逆变器输出的交流电通过LC低通滤波电路滤除高频信号，最后输出标准的单相正弦交流电，通过对电压电流采样、PI实现电流电压校准的算法。整流桥采用全桥整流，隔离变压器将输出的交流信号送到全桥进行整流，然后通过BOOST升压电路最终将使输出电压等于直流电源的电源电压BOOST输出直流电送回单相逆变器的输入端进行能量反馈。
三、 理论分析与计算
1.单相逆变器关键模块设备的选择
??1.逆变器设计中一般使用4个N型MOS建造管道。不需要两个N型。MOS 2个P型MOS原因是P型MOS与同性能相比，管道难以达到高耐压大电流，导电阻大。MOS管，N型MOS比P型MOS更适合这个系统，而且便宜很多。 ??对于NMOS管道，当外部给格极电压大于芯片时Vgs如果外部给格栅极电压小于导通电压，则泄漏极与源极之间直接导通，D极和S极之间没有导通，所以我们可以MOS管被视为由栅极电压控制的开关。 ??该系统采用N沟MOS管IRF3205，因为IRF3205的导通电阻非常的小，且耐压值可达到50V，过电流达到90A，应用范围广，效率高。
2.驱动芯片 IR2104
??IR2104芯片是半桥驱动器，如下图3所示，在逆变电路中，上下桥臂MOS管道可采用专用型IC驱动。当单片机输出一路SPWM波给IR2104的IN，芯片的高端输出和低端输出将完全正交，并有两个死区SPWM，驱动逆变器的一组MOS开关管，让两个开关管轮流导通。 ??其中LO输出电平范围为0–VCC，LO接入NMOS下桥臂可以完全满足管道的栅极NMOS管道的导通条件，HO的输出通过IR2104S满足自举电容和自举二极管的接入NMOS上桥臂由管道的导通条件驱动。
3.滤波电感设计合理
??由于SPWM波载波频率为20kHz，为了过滤负载频率和高谐波，增加输出THD，将滤波器的截止频率设置为 f T f_{\mathrm{T}} fT=750Hz，电容选择 C f C_{\mathrm{f}} Cf= 3 0 u f 30_{\mathrm{uf}} 30uf的CBB电容，由截止频率公式： f T = 1 / 2 π C f L f f_{\mathrm{T}}=1 / 2 \pi \sqrt{C_{f} L_{f}} fT=1/2πCfLf ，算得电感约为1.5mH。当然你也可以线设定电感值和电容值，来计算出截止频率，只要满足题目要求即可。考虑到题目对效率的要求，选择EE55型号磁芯，绕线更加紧凑而减少漏感；适当增加电感气隙来免因磁饱和所附加的铜损；采用多股细铜线代替单股粗线来绕制电感，从而降低铜损，减少邻近效应和趋肤效应。
四、电路与程序设计
1.三相逆变电路
微电网模拟系统由两个三相逆变器并联构成，作为系统的核心部分，三相逆变电路采用半桥并联结构，完成直流电到三相交流电的转换。两部分三相逆变器电路完全一样，其中一个三相逆变器电路如下图4所示。
2.滤波器的设计
逆变器输出会带有基波的奇数次谐波，我们需要滤除这些谐波或者抑制这些谐波输出。 逆变器输出是作为供电所用，输出电阻要小，所以不用 RC 无源滤波器选择用 LC 无源滤波器 ( 如图 5)。滤波器参数计算：LC 无源低通滤波器是滤除高次谐波分量，使电压输出波形为正弦波。本系统的 SPWM 调制信号为 20K。而输出需要的波最高 100Hz，滤波容易实现。 滤波器截止频率： f T = 1 / 2 π C f L f f_{\mathrm{T}}=1 / 2 \pi \sqrt{C_{f} L_{f}} fT=1/2πCfLf 设置截止频率f=750Hz ，CCB电容 取 30μF。得电路中 L= 1.5mH，满足滤波器的要求。
3.电压电流采样电路
方法一：电流采样电路选用高增益高精度电流芯片 INA282 与康铜丝采样电阻组合成采样电路对电流进行采样。电压利用 Uo=UR1+UR2( 串联分压 ) 原理直接对电压进行采样，为了使电压采样更精确在分压电阻的输出点接一个电压跟随器，采集跟随器的输出电压。 方法二：采样电路是系统实现反馈控制保证系统稳定的关键部分。具体电路如下图6所示。电压互感器TV1013-1H和电流互感器TA12-200实现了强电与弱电的隔离，同时将三相逆变电路输出的高电压、大电流转换为易于采集的小电压信号，后级3阶有源低通滤波器对互感器输出信号进一步调理后输出给单片机采样。
4 隔离变压器模块
采用隔离变压器的目的是为了保整个系统的安全性能，隔离变压器采用的是电磁感应原理，实现让输入和输出电压的隔离，通过电磁感应实现电压的传递。该系统的设计为了有效的避免逆变器与整流之后的升压电路直接相连，地线耦合在一起将无法识别高低电位的情况，需要次级电路地线不和前级电路地线相连，同时又为了不衰减电路中的电压，因此采用1:1的隔离变压器来实现次级电路中任一根线与前级电路地线地之间没有电位差，前后级没有影响，并且输入与输出的电压损耗很小，提高了使用的安全性。
5 整流模块
采用全桥式同步整流电路。 利用4个整流二极管构成“桥式”电路结构，利用其交替导通来实现整流。如前所述由于整流二极管导通压降的存在，会引起巨大的损耗。若将其中的4个整流二极管全部由通态损耗低的功率MOSFET管代替，即可构成常见的全桥式同步整流电路。具体电路如图19所示。
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微处理器产生。在正半周， H O H_{\mathrm{O}} HO为高电平，驱动 Q 1 Q_{\mathrm{1}} Q1、 Q 3 Q_{\mathrm{3}} Q3 导通， L O L_{\mathrm{O}} LO为低电平， Q 2 Q_{\mathrm{2}} Q2、 Q 4 Q_{\mathrm{4}} Q4 关断；在负半周， H O H_{\mathrm{O}} HO为低电平，驱动 Q 1 Q_{\mathrm{1}} Q1、 Q 3 Q_{\mathrm{3}} Q3 导通， L O L_{\mathrm{O}} LO为高电平， Q 2 Q_{\mathrm{2}} Q2、 Q 4 Q_{\mathrm{4}} Q4关断。同时，为避免 Q 1 Q_{\mathrm{1}} Q1、 Q 2 Q_{\mathrm{2}} Q2或 Q 3 Q_{\mathrm{3}} Q3、 Q 4 Q_{\mathrm{4}} Q4 两个功率MOSFET管同时导通造成短路而损毁电源。 H O H_{\mathrm{O}} HO, L O L_{\mathrm{O}} LO两组PWM信号要加入一定量的死区时间。 上图图20中，采用低损耗N沟道MOSFET替代了全波桥式整流器中的全部4个二极管，以显著地降低功率耗散。同时采用凌力尔特公司的理想二极管桥控制器LT4320，作为控制器产生PWM驱动信号。 相比于二极管桥式整流，同步整流的效率提高了接近3个百分点，可以实现接近99%的转换效率，极大地降低了损耗。
6 功率因数校正
为了提高功率因数我们采用UCC28019实现功率因数校正。当然你也可以不适用功率因数校正。直接在滤波之后接一个boost电路。根据要求在输入端加入直流电压由单片机产生一路PWM波，通过2104输出两路互补的PWM波，加载到两个MOS管上，让两个MOS管交替导通，通过改变PWM的占空比来升到理想的电压值（这里的boost电路没有画，看我前面所讲就知道怎么做了）。
五.控制电路与控制程序的设计
系统软件流程图如图5.2所示。首先软件初始化所有外设，等待按下相应的指令按键，进入模式选择，分别使能SPWM设置模块、逆变频率设置模块，电压电流闭环控制模块等。STM32通过内部ADC采集，及时向单片机回馈电压电流数据，然后通过滤波的算法进行处理。最后根据所选的测量模式在OLED上显示对应的测量结果。
六、实物图
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七、结束语
改设计是18年参加全国大学生电子设计大赛的方案的核心部分，其中UCC28019的设计要注意很多地方，或者不采用功率因数校正，加上了更完美。
全国大学生电子设计竞赛(一)–电源简介 全国大学生电子设计竞赛(二)–电源常用技术与算法 全国大学生电子设计竞赛(三)–线性电源设计 全国大学生电子设计竞赛(四)–双极性可调精密直流电源的设计 全国大学生电子设计竞赛(五)–开关电源的设计 全国大学生电子设计竞赛(六)–常用整流技术 全国大学生电子设计竞赛(七)–逆变电源设计 2017年全国大学生电子设计大赛A题–微电网模拟系统 2018年全国大学生电子设计大赛E题–变流器负载试验中的能量回馈装置
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