2022年全国大学生电子设计大赛省赛A题 (交流电子负载)

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前言

2022年全国大学生电子设计大赛省一第一名（受学校省特人数限制）。所有基本功能实现，有附加功能。
主电路拓扑为全桥整流+全桥逆变。本文主要介绍硬件部分。

完成效果图：

一、总体思路

本题要求交流电子负载能满足模拟阻性、感性、容性负载特性，功率因数可调，且要求回馈功率以50HZ交流电返回。则总体上可视为AC-AC变换器。常见交流电子负载有直接AC-AC变换（矩阵式变换器）以及AC-DC-AC间接变换（整流+逆变）。考虑到题目对母线电压的要求，该主电路应有中间直流环节，则应采用AC-DC-AC间接变换（全桥整流+全桥逆变）方式。
主电路拓扑：

二、模块设计

1.半桥模块

将一对mosfet及其驱动集成在一块PCB上。所采用的栅极驱动器为UCC21520，拓扑如下图所示（参照Ti数据手册UCC21520）：

PCB三维效果图

因仓促，PCB布线有不合理的地方，望指正。
驱动芯片的选型很广泛，也可采用其他种类（如IR2110），可根据具体使用需求选择合适的。

2.测量模块

测量模块分电压、电流、直流、交流、隔离、非隔离等。具体应视题目要求。
为模拟负载特性，本题要求对输入电压、电流，直流母线电压进行实时采样。交流电压和交流电流的测量均可用TVA1421电流互感器。既可对电压进行采样，也可对电流进行采样。（参照数据手册TVA1421）
交流电压采样原理图

其中运放的作用是抬高基准电压，使输出值Vout一直为正。（ADC口只能输入0-3.3V电压），改变电阻值使输出电压在合理范围内。

交流电流采样原理图

与电压采样基本类似，P1为输入，该采样方式可以不破坏原有线路。具体请参照数据手册。

直流电压采样采用隔离式差分放大器AMC1200（AMC1200），该芯片的优点是可以实现输入、输出的隔离。
AD原理图：

3.辅助电源模块

本题是高压题，辅助电源模块需要高压芯片，我们采用的是LM5164（LM5164）。主要作用是给单片机、芯片以及外设供电。
原理图如下：

该芯片的输入最大值可达100V。

普通辅助电源可采用TPS54360（TPS54360）
原理图如下

三、主电路搭建

主电路在洞洞板上进行焊接，提前预留模块接口和以及单片机、外设接口。在设计接口是应考虑便于更换，否则一旦模块出问题无法及时更换。
输入、输出电容采用CBB。直流母线采用CBB与电解电容并联方式。
过大电流时可采用较为粗的接口以降低损耗。
测量模块因受磁场干扰较大，在布局时应与电感的距离远一些。

附加功能有CC（恒流）模式、CR（恒阻）模式、CP（恒功率）模式。
设计触摸屏进行显示：

总结

本文主要介绍了2022年全国大学生电子设计大赛A题硬件的主要思路以及做法。软件有单极倍频SPWM调制。可参照单极倍频。望指正。