2019TI杯全国电子设计竞赛题电源题目预测和准备.pdf

1 2019 TI 杯全国电子设计竞赛 电源类赛题预测与准备 本科 只做预测和解析 实力还得靠各位学生自己的努力和坚持 多做准备 电源类题都是相 通的 只要坚持就会有很大的收货 得奖只是暂时 希望赛后能继续从事相关研究 可以直接看第 7 8 页 20192019 电赛电赛清单清单分析分析 与电源题目有关的仪器设备 标记标记亮黄亮黄色色 数字示波器 500MHz 双通道 带 Z 轴输入端子的示波器 100MHz 函数发生器 50 MHz 双通道 任意波信号发生器 1MHz 频谱分析仪 1GHz 频率计 500MHz 功率分析仪 数字毫伏表 程控直流稳压电源 LCR 数字电桥 五位半数字万用表 以太网交换机 通用 4 24 端口百兆 千兆 网线通断测试仪 能读 TF MicroSD 卡的音频播放器 或有此功能的 手机 单片机开发系统 FPGA 开发系统 DSP 开发系统 嵌入式开发系统 秒表 量角器 仪器设备分析 1 数字示波器数字示波器 500MHz 带宽性能太好了 价格贵 实验室有 100M 300MHz 左右就可以用了 没必要追求 dv dt 瞬态相关的电源中 EMI 问题 而且也不需要精确测量 Mosfet 的开关损 耗 2 功率功率分析仪分析仪 典型用于电源 分析交流谐波 测效率 功率因数 等等 典型的电源必备 价格不菲 10 30 万 RMB 一台 起典型特征精度高起步为 12 16 位 AD 几万元的示波器只 有 8 位 AD 反映波形而已 带宽高 功率分析仪带宽低 1 2MHz 比较常见 用于分析 AC 交流的谐波次数 THD 测效率 功率因数 FFT 分析等都很常用 说白了也就是用于 AC 系 统 DC AC 变换器 变频器电机驱动用的多 由于此设备出在清单里面 2019 赛题很可能有 DC AC 变换器 或者 AC DC 测量 DC DC 变换器用功率分析仪那是杀鸡用牛刀 没有功率 分析仪的同学 可用示波器代替 大致测量一下 或者导出示波器波形数据用 excel 或者 matlab 处理 只要 AC 正弦度高 无畸变 用功率分析仪测量肯定结果也是很好的 所以不 用担心没有功率分析仪 3 程控直流稳压电源程控直流稳压电源 一般能输出 3A 电压最大 36V 48V 2017 年三相逆变器赛题 24Vrms 线电压 直流侧至少需要 采用 SVPWM 调制 DC 电压 34Vdc 采用 SPWM 调制 DC 电压至 少 40V 直流系统 48V 也作为安全电压 一些低压小功率电动车用 48V 系统 2 4 LCR LCR 数字电桥数字电桥 测量电感值 电容值 电阻值 一般主要买来测量电感值 电容和电阻都是 标准元件 很多情况买回来就用 但是功率电感主要靠定制 以及实验自己绕制 需要测 量电感值 5 五位半数字万用表五位半数字万用表 实验室常规必备万用表 一般没必要这么高精度 不知道电赛为什么 给出的越来越高端 这么贵 很多参赛组没钱买啊 做电源用常规的万用表测也可以的 用于测电压 电阻值 线路通断 6 编程开发系统 单片机开发系统 FPGA 开发系统 DSP 开发系统 选一个自己最擅长的 最熟悉的 没有优劣区分 只要你会用就是最好的 把赛题出来就 ok 2017 年有参赛同学 用单片机 开关频率 5kHz 也拿了全国一等奖的 可见功底 主要元器件清单主要元器件清单 与电源题目有关的与电源题目有关的元件元件标记亮黄色标记亮黄色 三脚架 高度 60 80cm 可控电动云台 水平转动 水平及垂直两维转动 四旋翼飞行器 最大轴距不超过 420mm 电动小车 外形尺寸 长度 30cm 宽度 26cm 舵机 10 20W 摄像头 可带处理器模块 可编程逻辑器件及其下载板 嵌入式开发系统板 TI 处理器系统板 可含板载调试下载模块 微处理器最小系统板 可含板载调试下载模块 DDS 芯片或模块 超五或六类网线及 RJ45 插头 无线发射接收模块 可见光三线激光光源 满足中学物理教学实验用即 可 超声波探头 频率 20kHz 50kHz 小型电机及驱动器 变容二极管 TF 卡 8GB 及以上 SD 卡 8GB 及以上 激光笔 A D D A 转换器 超级电容 可能用于电源 也可以小车 厚膜无感电阻 8 或 16 不小于 15W 可能 用于射频 高频领域 电源逆变器 LC 或 LCL 的阻 尼电阻一般也用 但一般小于 0 5 Ohm 大功率器件 准备 Mosfet 就好 功率快恢复二极 管 高频磁环 做电感用的 DC DC 电感或者整流 逆 变滤波电感 常用铁硅铝 性能更好的有硅铁磁粉 芯 高磁通 MPP 纳米晶 但价格逐渐贵了 做 高频变压器一般用 PQ EE 型铁氧体磁芯 高频磁环 一般不做变压器 运算放大器 电压比较器 乘法器 显示器件 小型继电器 断开电路 交流用的多 发光二极管 光电传感器 角度传感器 无线发射接收模块 麦克风 蜂鸣器 扬声器 电源题目需要做的准备 1 备好功率半导体元件 MOSFET 散热器 没有加散热器的 mosfet 等着发热炸管子吧 Mosfet 二极管厂家 标注 的电流 都是在加散热器 25 度 一般水冷条件 加直流测试 例如下图 48A Mosfet 只是说 明冷却非常好 Tc 温度 通直流 48A Mosfet 芯片结温达到 150 的载流只有 48A 一般 3A 3 的额定电流 选择 Mosfet 需要 10A 20A 过大也不好 Coss 引起的开关损耗加大了 功率二极管 用快恢复二极管 肖特基二极管 一般电赛方案都比较保守 可靠 变换 器工作在硬开关 开关损耗比较大 二极管必须要用低损耗 快恢复二极管 并且二极管也 要加散热器 整流二极管只有用在 AC DC 的 PFC 前级桥式二极管用到 2 功率电感 AC 滤波电容 DC 直流电容 清单有了高频磁环 那就按照 3 5A 的载流能力 设计电感就行了 电赛用 27mm 40mm 外 径的磁环就够了 最大不超过 48mm 不然成本 重量明显增加太多了 注意铁硅铝便宜 存 在直流偏置 也就是电感值增加 电感值会减小 例如下图铁硅铝 KS157060 磁芯 蓝色曲线 衰减最快 电赛用便宜的铁硅铝也就够了 几种磁环对比 黄百环 是铁粉芯 损耗大 少用 淘宝上买的铁粉芯基本都是黄百环 一堆废铁 铁硅铝 经常是黑色的 电赛足够了 硅铁 磁粉芯 蓝色 大功率用 光伏逆变器 等等大功率应用的主要磁芯材料 据称市场占有率 60 高磁通磁芯 淡橙色 MPP 或者纳米晶 灰色 淡橙色 后面两种常用于高端产品 也用于航 空 军工 电感设计 所有变换器电路都有准确的公式 花时间找一下 或者选型 需要知道饱和电 流 载流能力 别仅仅看电感值 标称都是 0A 的 而且要留一些裕量 比如设计 100uH 电 感值 用 150uH 是肯定可以的 一些设计者不太懂 只管绕匝数 电感值达到了 空载工作 ok 一旦带载就逐渐出问题了 控制也不稳定了 这个问题一般是磁芯饱和了 或者电感值下 4 降太厉害了 下图为磁芯的梯形图 意义 表征 L I 2 适合的选用的磁芯 400 467 这些数字是指磁环外 径 40 0mm 46 7mm 对应为 1 57 英寸 1 84 英寸 铁硅铝型号 CS400125 也就对应 KS157125 前面字母表示厂家 中间 3 为数字表示磁环外径 后面 3 为数字表示磁导率 125u 60u 26u 是等效磁导率 功率越大 需要选择越低的磁导率 没错 你看到的没有错 就是功率越大 磁导率选用越低 在大学物理中学了 磁场储能密度与磁导率成反比 也即是真空 空气磁场储能密度最大 做电感需要磁芯的目的是为了减少铜线用量 空心线圈电感非常大 价格贵 体积大 要是常 温超导出来了 空心线圈电感或者更低磁导率电感也就要成为主力了 高频磁环可以找供货商要数据表 都有数据表的 基本都是大公司才能做磁材料的 AC 电容 可以用陶瓷电容 薄膜电容 DC 电容 可以用陶瓷电容 薄膜电容 最常用还是电解电容 由于电容值大 选择电容 注意电容的载流能力和耐压 别相信电容可以通很大电流 例如下图日本 rubycon 电容 业界认可度高 品牌 100uF 450V 电容 纹波能力为 0 99A 120Hz 10kHz 高频吸收纹 波电流能力好些 乘以 1 4 倍 也只有 1 4A ripple 高纹波电流载流能力的电容比较贵 例如 薄膜电容 5 电容主要被巨头日本 TDK 的陶瓷 薄膜电容 它收购了德国 epcos 薄膜电容 村田 Murata 陶瓷 rubycon 的电解电容 还有一些日本 美国 德国的电容企业空着 贸易战 电容经常 价格波动厉害 2018 年 4 月开始 陶瓷电容涨价 10 倍都很难买到货 今年已经降下来了 各位做电赛的同学 也要注意电赛用到元器件 特别是只能买到进口的 以后可以从事相 关行业 商机比较大 但难度也比较大 毕竟被垄断了很久 3 Mosfet 的驱动 之所以要用驱动芯片 原因是 Mosfet IGBT 等等开关管需要给门极充电电压 这个带一 点儿小功率 需要驱动电流 如下图 开关管 CGE和 CGC都是开关管的寄生电容 Mosfet 一样 的有 驱动电流波形如右图 驱动很重要 常规 IR2113 系列的自举类驱动芯片 适合 DC DC 类的占空比比较固定 DC AC 中一定不要占空比范围设计太满 一般用 0 1 0 9 占空比 自举还是可以用的 调试自举 先调试半天时间 确定驱动 ok 后 在进行下一步 自举优势是简单 便宜 调好后就好用 6 调不好时间花的多 另外另外 如果再三调试都不如果再三调试都不 ok 考虑换一个 考虑换一个型号型号自举芯片 担心淘宝上黑自举芯片 担心淘宝上黑 心商家卖假货 劣质芯片心商家卖假货 劣质芯片 或者芯片有问题 我自己是遇到过 买回的运放低频可以 1kHz 就 不行了 还专门花时间做一个小板子来测这个运放给商家看 后来才知道是以次充好 劣质的 另外 电源隔离 信号隔离 驱动芯片的方式 可以做到全隔离的 比较稳妥的驱动 大功 率系统都用这种 但是缺点成本高 需要元件多 好处是不用担心占空比范围 1 99 都可以 的 不用担心自举电容的启动问题 自举需要先开通下管 给自举电容充电 给一些初次接 触的同学 看看 SiC MOSFET 的驱动 借用一下 CREE 官网的原理图 如下图 原理简单加 一个隔离电压到开关管 驱动信号隔离到开关管 用驱动芯片驱动 4 程序中的 ADC 和 PWM 7 DSP 或者有 epwm 模块的单片机 或者 FPGA 都可用 电源主要用到 epwm 模块和 ADC 选择控制芯片自带 内置 epwm 模块和 ADC 模块 这样编程简单 可以保证 epwm 和 ADC 的作用时刻 中点采样 好处就是不滤波了 中点采样就是基波的平均值 这样没有滤波带来 的延时 相位问题 使得 PI 闭环好做 容易 5 闭环 PI 程序 一般先开环测试 开环验证硬件 ok 验证程序 ok 开环正常后 才开始闭环调试参数 闭 环前做好保护工作 程序中增加过流 过压检测 一旦有异常 立即关闭 PWM 可以用几个 IO 口接指示灯 标识不同的错误信息 6 显示 按键程序 这个很基本 所以赛前必须要准备好程序模板 显示 按键应该要准备好 ADC pwm 中断程序要做好 如果有需要高频磁环 电感 高频变压器 可以查看下面淘宝企业店 2019 全国电子设计竞赛 电源类赛题预测 分析 清单中给出 有功率分析仪 功率分析仪一般用于测量 AC 的谐波 变换器效率 功率因 数 还有程控直流电源 高频磁环 继电器 超级电容 这个可能用于小车题 储能用 由于有功率分析仪 猜题有 AC 系统 预测预测 1 考考 DC AC 并网并网逆变器逆变器 鉴于 2017 年电赛考了三相逆变器 包括两个并联 2018 年一些省市 TI 杯考了单相逆变器 两个模块级联能量回馈 如下图 由于并网逆变器用于新能源电池储能 光伏 风电 电力 无功补偿 电力谐波 APF 等等应用 应用极其广 控制模式很多 虽然连续两年考了 而且清 单有功率分析仪 DC AC 或者称 AC DC 在双向能量变换器中 整流逆变一模一样 不要纠结 整流还是逆变 都按逆变准备就可以 知识时候一样的 还是可以出考题的 2018 年某些省市 TI 杯电源题 8 预测考察内容 并网逆变器 基本部分考察单个逆变器并网 并网 PLL 锁相 电流闭环是 关键 发挥部分考察两个逆变器并联并网 均流控制是关键 当然也有可能考 2018 年 TI 杯 但 全国赛 好像不公平 应该还是不会这么考 难度分析 并网逆变器 关键在于并网 需要 PLL 锁相环或者电网电压同步检测 三相逆 变器可以用 dq 坐标变换成直流 懂了 dq 坐标变换后 三相比单相并网逆变器简单 经过坐标 变换后 三相就可以等效成直流 PI 控制器进行闭环了 单相逆变器 单相的 PLL 比较难做 有些传统方法用电压过零检测也可以的 闭环 PI 控制 或者消除误差用 PR 谐振控制器 预测预测 2 考考 DC DC 变换器变换器 可能可能性比较小性比较小 按照以往电赛的规律 DC DC 和 AC DC 或 DC AC 两种是轮流考 按照这种规律考 DC DC 还是有可能的 但是功率分析仪用做什么呢 在只测量效率吗 又是杀鸡用牛刀了 考 DC DC 的话 有可能会多个 DC DC 并联 做成能量回馈或者并联均流控制 先准备好下 面这种双向 DC DC 就可以 考的时候电路可以灵活变化 非隔离双向 DC DC 知识点都一样 9 附录 单相 DC AC 逆变器电感计算计算公式 三相逆变器电感计算公式 电感电感计算计算 主要是 主要是电感电感计算计算 电容电容其他其他也简单也简单说一下 说一下 单相单相电感电感设计设计 重要 重要 选择电感的大小 与方案 3 图中 逆变器 和整流器 的 SPWM 调制有关系 常用双极性 SPWM 调制 也就是 S1 和 S4 同时导通 同一个半桥的开关是互补导通 单极性 SPWM 调制 也即是 S1 和 S4 导通错开了 180 度 三角载波是错开 180 度的 单极性和双极性 SPWM 调制 10 关于电感的计算公式后面一页的截图 例如直流电压 40V 输出电压 24Vac交流线线电压 开关频率 10khz 纹波系数取值为小于30 1 采用双极性 SPWM 调制 电感值最小 dc 1 40100 3 3 22 0 3 2 sw V TVus LmH IA 可以选择 3 3mH 5A 的电感 如果是 20khz 开关频率 可以选择 1 65mH 5A 电感值 选择电感接近就可以了 不需很精确 相差 50 都 ok 的 主要是主管经验取值纹波系数小于 30 电感值可以大 也可以略小 电流留裕量 减小发热损耗 2 采用单极性 SPWM 调制 电感值最小 dc 1 40100 833 88 0 3 2 sw V TVus LH IA 可以选择 1mH 5A 的电感 如果是 20khz 开关频率 可以选择 500uH 5A 电感值 双极性 SPWM 调制 电感值计算 11 单极性 SPWM 调制 电感值计算 三相并网逆变器的电感纹波电流 计算过程比较复杂 简化可以用以下计算公式 例如直流电压 40V 输出电压 24Vac 交流线线电压 开关频率 10khz 纹波系数取值为小于 30 电感值可以计算为 dc 1 40100 0 96 4 34 3 0 3 2 sw V TVus LmH IA 可以选择 1mH 5A 的电感 如果是 20khz 开关频率 可以选择 500uH 5A 电感值 精确的纹波与调制比有关系 定制纹波电流大小后 就可以反推电感值了 如下图 12 电感值不能太大 否则电感上的 50Hz 电压降会太厉害了 例如常规考虑电感压降不超过 5 可以计算电感值最大如下 采用 LCL 滤波器 或者 LC 滤波器 总电感值不宜不大 LC 滤波器 电感值也就是 L1 LCL 是网侧和逆变器电感值之和 电感上有工频压降 10 U10 25 4 2250 2 V LmH fIA 总 这个值也比较灵活 5 没有硬性要求 也可以规定为 8 或者 10 但是后果是电感上的压降 增大了 必须要 DC 电压增加 例如从 40V 增加到 43V 可能才能满足要求 滤波滤波电容选择电容选择 根据 LC 滤波器截止频率选择 简单的用下面公式计算 fc 截止频率 与谐振 频率差别不太大 建议 500Hz 1kz 对于 10kHz 开关频率而言 经验或者书本上说的 一般大 于电源频率 50Hz 的 10 倍 小于开关频率的 10 倍 10khz 或者 20Khz 开关频率 这个看 各自的系统设计了 1 f 2 c LC 13 电容值选择建议 10uF 20uF 可以多调试 大概数值数此 电容需要为高频薄膜电容 或者陶 瓷电容 下图是 LC 滤波器的滤波效果图 幅频特性 Bode 图 里面参数为 电感值 1000uH 电容值 10uF 阻尼电阻 0 5Ohm 防止谐振 与电容串联 可以加一个小电阻 实验调试电容值和阻尼电阻 单相 直流电容需要加大一些 三相系统直流电压可以选择很小 滤波电容的设计主要考虑二次谐波 即 100Hz 的谐波的大小 交流为 50Hz 那么直流就 是 100Hz 的纹波 可以仿真验证的哈 此处可以用一阶 RC 放电来粗略计算 即在 10mS 两 波峰间隔 内不考