电赛每日一题 · 第 13 期 ｜ 今日拆解：2021 年 B 题 三相 AC-DC 变换电路
这道题最硬核的考点是"效率 95% + 功率因数 0.99 + Uo 36V±0.1V 三项同时达标"——三项中的任何一项拉胯都会让分数从 100+ 掉到 60 以下。一神两坑队（kmtlg）用三相 BOOST PFC + 同步整流 + 卡尔曼滤波全栈方案，把工业级三相整流电源搬到了比赛 4 天三夜内。本期从拓扑选型、PLL 锁相、PID 调节到功率因数校正，一次讲透。
📌 一、赛题速览与难点剖析
一、原题再现
1. 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。
【官方图 1：三相 AC-DC 变换电路原理框图】
2. 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 0.90~1.00，误差绝对值不大于 0.02。
（4）其他。
3. 说明
（1）图 1 中的变压器由三相自耦调压器和三相隔离变压器组合构成，变压器原、副边侧均为三相对称交流电。变压器原边电压较高，请务必注意安全。
（2）题中所有交流电压、电流参数均为有效值。AC-DC 变换电路效率 η = Po / Pi = (Uo·Io) / (3·Ui·Ii·cosφ)，其中 Po = Uo·Io，Pi = 3·Ui·Ii·cosφ。
（3）本题定义：① 负载调整率 SI = |Uo2 − Uo1| / 36 × 100%，其中 Uo1 为 Io=0.1A 时的直流输出电压，Uo2 为 Io=2A 时的直流输出电压；② 电压调整率 SU = |Uo2 − Uo1| / 36 × 100%，Uo1 为 Ui=23V 时的直流输出电压，Uo2 为 Ui=33V 时的直流输出电压。
（4）AC-DC 变换电路的直流辅助电源作为变换电路的组成部分，可购买电源模块（亦可自制），由图 1 中的变压器供电，其耗能应计入 AC-DC 变换电路的效率计算中。测试现场不另行提供其他交、直流电源。
（5）制作时须考虑测试方便，合理设置测试点，参考图 1。
（6）本题测试统一使用功率分析仪。
4. 评分标准（官方原始表）
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小计 | 20 |
| 基本要求 |
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小计 | 50 |
| 发挥部分 |
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小计 | 50 |
| 总分 |
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120 |
💡 判分关键：基本 + 发挥各占 50 分，但**"效率 95%" + "功率因数 0.99" 各 15 分（合计 30 分）才是真正拉开差距的战场**。负载调整率 0.3% 与电压调整率 0.3%（各 15 分）考的是闭环控制精度。基本 (1) Uo 36V±0.1V（10 分）看似简单但没有 PFC 的整流桥方案绝对做不到 ±0.1V——整流桥输出纹波就有 ±1V。
二、题目工程背景：这道题不是空穴来风
很多同学第一眼看到"三相 AC-DC"会觉得：这不就是个整流桥？其实这道题本质上是"工业级三相整流电源"的微缩版——把题目里的每个模块和现实产品对上号，你立刻就能理解为什么要这么考。
逐模块对应表（题目 ↔ 现实）：
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为什么出这道题（我的理解）：
1. 三相 AC-DC 是电力电子的"基础课"——任何新能源（光伏逆变器、储能 PCS、充电桩）的内核都是三相 AC-DC/DC-DC 级联。电赛出一道三相 AC-DC，就是要选拔掌握"工业电源"基本功的人。
2. "功率因数 + 效率"是电源行业的两大核心 KPI——同样 72W 输出，PF=0.6 的电源要从电网吸取 120VA（浪费 50%），PF=0.99 的电源只吸取 72.7VA（浪费 1%）。大功率场景下 PF 0.6 vs 0.99 的电费差距一年高达几十万元。
3. "三相 PFC"是模拟控制 + 数字控制的完美结合点——模拟控制做电流环（μs 级响应）、数字控制做电压环 + 通信（ms 级响应）。电赛考这道题，就是要选拔"模数混合"全栈人才。
4. 卡尔曼滤波、PLL 锁相、PID 调节——三个核心算法在真实工业电源中缺一不可。学会这道题，等于摸到了"工业电源工程师"的门槛。
💡 延伸认知：为什么题目限定 28V 线电压（不是 380V 工业标准）？因为电赛测试现场需要安全电压（< 36V 安全特低电压 SELV），28V 线电压是常用电赛测试电压。真要做 380V 工业电源，需要三相调压器 + 隔离变压器，占地 1m²、重量 50kg，根本放不进 4 天三夜的工位。
三、大白话版解读：这道题到底要你干嘛？
看完上面那一堆术语，是不是有点头大？别急，咱用最接地气的方式重新讲一遍：
一句话总结：让你做一个**"工业级三相整流电源"**——三相 28V 交流进来，直流 36V/2A 出去，效率 95%、功率因数 0.99、输出精度 0.3%。
传统不控整流 vs 本题 PFC + 同步整流：
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系统长啥样（用人话说）：
硬骨头在哪（按难度排序）：
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四、核心指标速查表
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五、最大卡脖子难点
1.
三相 BOOST PFC 的"三电平"控制——三相 BOOST PFC 不能简单用三个独立单相 BOOST 控制，因为三相电压相位差 120°，需要协调三个 MOSFET 的开关时序。一神两坑队方案用 TM4C123G 的 3 对互补 PWM 通道（+ 死区）+ PLL 锁相 + 卡尔曼滤波，实现三相输入电流正弦化（THD < 5%）。没有 PLL 锁相，电流相位会漂移 5~10°，PF 立刻降到 0.95 以下。
2.
效率 95% vs 85% 的"15% 差距"——基本 85% 容易达到（用 IGBT 或 MOSFET 二极管整流），但 95% 必须用同步整流（用 MOSFET 替代二极管降低导通压降）。同步整流的"死区时间"是关键：死区太大（> 500ns）→ 体二极管导通增加损耗；死区太小（< 100ns）→ 上下管直通炸板。一神两坑队取 200ns 死区时间，MOSFET 体二极管导通占比 < 5%，效率提升 8%。
3.
Uo 36V±0.1V 的"0.28% 精度"——传统不控整流的输出纹波就有 ±2V，必须双闭环控制：①电压外环（响应慢，ms 级，决定稳态精度）；②电流内环（响应快，μs 级，决定动态响应）。电压环用 PI 调节器 + 卡尔曼滤波前馈补偿，把输出纹波从 ±1V 压到 ±0.05V。
4.
SU ≤ 0.3% / SI ≤ 0.3% 的"双调整率"挑战——Ui 从 23V 变到 33V（变化 43%），Uo 必须稳定在 36V±0.1V（变化 0.3%），环路增益必须 ≥ 150（43%/0.3% ≈ 143）。一神两坑队用卡尔曼滤波估计输入电压扰动 + 前馈补偿，把环路增益从 50 提升到 200。
5.
数字可调 PF 0.90~1.00——发挥 (3) 考的是"通过改变电流给定值的相位，强制让 PF 偏离 1.0"。本质是把 BOOST PFC 的"电流环参考"从"与电压同相"改成"与电压有相位差"。PF = cos(相位差)，所以 PF=0.9 对应相位差 25.8°。MCU 通过 PLL 锁相后，把电流参考相对电压参考偏移 θ 角。
🛠️ 二、官方推荐/主流硬件方案
系统整体框图
一神两坑（kmtlg）国二方案：TI TM4C123G 主控 + 三相 BOOST PFC + 同步整流 BUCK DC-DC + 卡尔曼滤波前馈 + PID 双闭环。输出 36V±0.1V，效率 ≥ 95%，PF ≥ 0.99，可调 PF 0.90~1.00。
原始动物研究院（DSP F28027）国二方案：TI C2000 F28027 + 三相 VIENNA 整流（维也纳整流，结构简单、开关应力小）。效率 95%+，PF 0.99+。
主电路拓扑结构（为什么这么选）
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| 三相 BOOST PFC + 同步整流 BUCK
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发挥要求（PF + 效率）
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为什么选"三相 BOOST PFC + 同步整流"？
1. 三相 BOOST PFC 是最经典的 PFC 拓扑——三个升压电感 + 三个 MOSFET + 三个二极管，结构简单、控制理论成熟。比 VIENNA 整流容易实现，比 NPC 便宜。
2. 同步整流比二极管整流效率高 8%——用 MOSFET 替代续流二极管，导通压降从 0.7V 降到 0.05V。3A × 0.65V = 2W 损耗降低（3A 是平均电流，输出 36V×2A=72W，2W = 2.8% 效率提升）。
3. TM4C123G 是 TI Cortex-M4F 性能强——120MHz 主频 + FPU 浮点单元 + 6 路 PWM + 1MSPS ADC，单芯片搞定三相 PFC + 同步整流的全部控制。
核心元器件选型推荐
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💡 采购建议：TM4C123G + IRF540N×5 + 1mH 电感×3 + IR2110×2 这套组合，BOM 总成本约 ¥100（不含调压器和隔离变压器），3 天能搭出基本 + 发挥全部功能。三相调压器 + 隔离变压器是测试现场标配，学校电赛实验室一般都有。
💻 三、软件控制架构与核心算法
控制闭环逻辑
