基于DSP的高壓電源設計

摘要：介紹了一種設計X射線測厚用高壓電源的新方法，將Buck電路引入高壓電源用于前級直流電壓調壓，應用開關電源和移相全橋逆變技術，并且該系統(tǒng)以TMS320F2812為控制核心，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。后級高壓側采用相控諧振和正負雙向倍壓整流電路，能大大減小紋波系數(shù)。該設計可實現(xiàn)穩(wěn)定輸出80 kV電壓的高壓電源。實驗結果證明，該電源能夠穩(wěn)定工作，其性能滿足設計要求。
關鍵詞：電源；倍壓整流；相控諧振

1 引言
早期的高壓直流電源通常采用220 V工頻交流經變壓器升壓，整流濾波獲得，電源的體積和重量很大，并且紋波較大，穩(wěn)定性不高，效率低。目前的高壓電源主要采用開關電源技術，PWM波的產生芯片主要用SG3525(集成PWM控制芯片)或者UC3875(移相諧振全橋軟開關控制器)做成高頻高壓電源，大大減小了電源體積和重量，提高了電源的穩(wěn)定性和效率。但SG3525功能單一、產生的PWM波形也沒有DSP產生的PWM波形穩(wěn)定性好，并不能實現(xiàn)與上位機通訊及智能調壓等功能。此處設計以DSP為控制核心，DSP產生的死區(qū)可調的PWM波完全可代替SG3525或UC3875所產生的PWM波，還可實現(xiàn)電源輸出調壓和過壓過流保護等功能。
高壓電源的重要特點就是快速可靠保護。例如過流保護、過壓保護、擊穿短路保護等，這里在新型直流高壓電源研制上嘗試應用新的技術手段，提出新的設計思路來解決這些問題。

2 設計原理
高壓電源的總體框圖如圖1所示，電路主要分為主電路和控制保護電路兩部分。

該系統(tǒng)的工作原理：先將市電220 V／50 Hz通過全橋整流濾波后，變成300 V左右直流電壓，將其通過PWM的Buck變換得到0～300 V可調直流電壓。然后直流電經過DC／AC逆變成高頻電壓，經過諧振電路和高頻變壓器后電壓變?yōu)?0 kV左右，再經倍壓整流得到所需的電壓。DSP系統(tǒng)為DC／DC提供電壓輸出幅值的給定信號，同時接收DC／DC環(huán)節(jié)來的反饋信號，并實時地做出反應，控制DC／DC環(huán)節(jié)輸出電壓的大小。對于DC／AC環(huán)節(jié)，DSP系統(tǒng)通過輸出4路脈寬可調的PWM信號控制逆變環(huán)節(jié)4個IGBT的通斷，并且接收反饋動作信號，控制4路PWM的脈寬來達到控制逆變環(huán)節(jié)輸出電壓的目的。DSP系統(tǒng)還可進行輸出電壓測量，并且提供一個良好的人機接口，實時地顯示各個參數(shù)值，并提供操作控制。

3 硬件設計
3．1 高壓電源主電路
高壓電源主電路見圖2，主要由整流濾波、直流Buck變換和高頻逆變3部分組成。工頻二相交流電經整流橋濾波得到低壓直流電，通過直流Buck變換。使DC／DC變換輸出的電壓控制在0～300 V左右，然后經相控諧振逆變電路，通過對前后橋臂的相位控制，實現(xiàn)對電壓的變頻和調壓，再經高頻變壓器和8倍壓整流電路得到直流高壓。該設計采用將高頻變壓器接在倍壓電路中間，組成正負雙向倍壓整流的方式，并使正負兩端一端接地，另一端輸出高壓，能夠大大減小電壓紋波。

正負雙向十倍壓整流電路的基本原理為：在ui的正半周時，C9通過VD9被iVD9充電到ui的峰值；在ui的負半周時，ui的峰值加上C9對C10充電，通過VD10被電流iVD10充電，C10的電壓達到2ui，同時ui通過VD1向C1充電；當ui再次為正半周時，C11通過VD11被電流iVD11充電到兩倍的ui峰值，同時ui的峰值加上C1的電壓對C2充電，通過VD2被電流iVD2充電，C2電壓達到2ui。如此正負反復下去，充電的最終結果是C2～C8兩端電壓幾乎達到2ui，極性為左負右正；C10～C16兩端電壓也達到2ui，極性為左正右負。該設計將C16右端接地，將C7右端做為高壓輸出端，輸出電壓為正負倍壓的絕對值之和，得到80 kV高壓。而脈動系數(shù)為其矢量之和，正負脈動值相互抵消因而系統(tǒng)輸出紋波很小。
3．2 高壓電源的控制電路
圖3為DSP控制電路示意圖。A／D轉換模塊采用AD652芯片將由分壓器采集的電壓信號轉換成頻率信號，通過光纖傳給DSP進行計算。DSP
通過計脈沖個數(shù)的方式計算采集電壓值，對采集的電壓進行簡單數(shù)字濾波處理，防止引入干擾。然后以此電壓為依據(jù)用數(shù)字PI控制策略計算前后橋臂的相位差，通過PWM輸出控制信號，同時將采集的電壓通過顯示器顯示。電源的運行狀況和輸出電壓通過鍵盤來控制。送至逆變環(huán)節(jié)和Buck電路的驅動信號必須經過驅動保護電路，其目的是一方面將5路驅動信號隔離并濾波放大，另一方面當逆變環(huán)節(jié)和Buck電路產生過流短路或溫度過高等故障時，能夠及時產生可靠的故障信號，通知DSP停止發(fā)送驅動脈沖。

為了使控制電路盡量避免受高電壓功率部分的影響，要求控制電路與驅動電路隔離。這里采用高速光耦TLP250作為隔離。圖4為1路開關管的驅動電路，其他4路類似。

反饋回路中對輸出電壓信號的取樣，采用在輸出端并聯(lián)電阻，再通過電阻串聯(lián)衰減的方法實現(xiàn)電壓經隔離反饋至DSP，通過DSP程序控制輸出PWM波的占空比，進而調節(jié)輸出電壓，達到穩(wěn)壓的目的。

過流保護采用電流互感器作為電流檢測元件，其具有足夠快的響應速度，能夠在開關管允許的過流時間內將其關斷，起到保護作用。過流保護信號經分壓、濾波后加至電壓比較器的同相輸入端，如圖5所示。當同相輸入端過流檢測信號比反相輸入端參考電平高時，比較器輸出高電平，使VD2從原來的反向偏置狀態(tài)轉變?yōu)檎驅?，并將同相端電位提升為高電平，使電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平。同時，該過流信號還送到DSP內，通過程序中斷來控制PWM輸出，起到保護作用。

4 軟件設計
該設計由DSP進行控制，DSP產生的5路PWM波，1路用于前級Buck電路調壓，另外4路用于高頻逆變。采樣反饋電路將每級輸出反饋回DSP，通過與設定電壓比較來控制PWM輸出的變化。該設計程序流程圖如圖6所示。

5 實驗結果與分析
電源供電輸入為220 V二相交流電，整流后母線電壓約為300 V，功率管為2MBI100N-060型IGBT，最大耐壓600 V，最大電流100A。濾波電感約為1 mH，電容為560μF／1 kV，后級高壓側諧振電感L=300μH，諧振電容C≈1μF，工作頻率約為19 kHz，最大諧振電流30 A。經取樣電阻取樣后得到圖7所示結果。

6 結論
該設計提出了一種設計高壓電源的新思路，并且進行了大量實驗。實驗結果表明，用Buck電路做前級調壓，用DSP對5個開關管進行控制是可行的，并且實驗效果比用SG3525要好很多，而且該系統(tǒng)的體積大大減小，電路結構簡單清晰，調壓響應平穩(wěn)、快速；輸出電壓穩(wěn)定度高，紋波系數(shù)小，電路抗干擾能力強；完全能滿足X射線管的要求，而且有望實現(xiàn)高壓電源的嵌入式應用。