基于DSP的全橋式煤礦軟開關(guān)電源研究

曲萍

摘要：由于煤礦井下的作業(yè)環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)測采掘工作面的瓦斯，一氧化碳?xì)怏w，溫度風(fēng)俗，風(fēng)門開關(guān)等，為了實(shí)現(xiàn)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以減少瓦斯爆炸，溫度濕度失調(diào)或意外狀況的可能性為目的，提出一種基于DSP的全橋式煤礦軟開關(guān)電源。該電源一方面利用DSP的PWM波的產(chǎn)生機(jī)制，通過修改PWM波占空比改變逆變橋中IGBT的通斷時間從而控制輸出電壓的大小[1]；另一方面采用全橋式變換器相當(dāng)兩個雙管正激變換器組成，驅(qū)動脈沖互補(bǔ)。同樣的開關(guān)功率器件下，可獲得兩倍于半橋電路的輸出功率。仿真結(jié)果證明，該系統(tǒng)可在復(fù)雜的煤礦監(jiān)控中運(yùn)用，具有一定的實(shí)用性、安全性及經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：軟開關(guān)電源；DSP；PWM；全橋變換器；煤礦安全

目前我國大大小小的煤礦有不下10000 座，而每年因煤礦事故死亡的人數(shù)也居高不下，井下監(jiān)控系統(tǒng)就成了煤礦生產(chǎn)中最為重要的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的硬開關(guān)方式的逆變電源由于存在開關(guān)損耗大、效率低、電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）大等的問題[2]，不但影響電源自身的可靠性，而且會影響其它電子設(shè)備的正常工作，容易產(chǎn)生拉弧以及電火花，從而引起瓦斯爆炸等安全隱患，軟開關(guān)技術(shù)是目前解決該問題的主要方法。

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)電源波形的數(shù)字化控制，本文的控制核心采用DSP 芯片的TMS320F2812 系列，并由DSP的PWM生成機(jī)制來完成調(diào)節(jié)輸出電壓，并采用全橋式變換器完成軟開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)，對電源主電路實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制，輸出電壓設(shè)置定點(diǎn)可調(diào)，提高了輸出電壓的精度和穩(wěn)定度，另一方面采用全橋式變換器，從而大大的提高軟開關(guān)電源的輸出功率[3]。

一、電源系統(tǒng)硬件設(shè)計

主電路設(shè)計：開關(guān)電源的硬件基本組成原理圖主要由功率主電路，DSP控制回路以及他輔助電路組成。系統(tǒng)的硬件基本組成電路如圖1所示：

其基本原理是：電網(wǎng)的交流輸入經(jīng)過EMI整流濾波后得到高品質(zhì)直流電壓，通過全橋式逆變器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經(jīng)高頻變壓器隔離變換，輸出所需的高頻交流電壓，最后經(jīng)過輸出整流濾波電路，將高頻變壓器輸出的高頻交流電壓整流濾波后得到所需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓[4]，通過采樣電路及光電隔離保護(hù)電路輸入給DSP控制器，從而形成負(fù)反饋。DSP芯片TMS320F2812通過事件管理器EVA產(chǎn)生PWM波，并加于驅(qū)動電路，通過改變占空比輸出模擬量電壓電流。完成反饋調(diào)節(jié)得到理想的電壓電流。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

3PAC表示三相交流380V的電網(wǎng)電壓輸入，3PBreaker表示三相空氣開關(guān)，Diode Bridge表示三相不可控整流橋，TD Breaker表示延時啟動開關(guān)，防止啟動時充電電流過大，Lin和Cin構(gòu)成輸入LC濾波環(huán)節(jié)，IGBT Bridge表示單相逆變橋，Lm表示飽和諧振電感，Co隔直電容，LT表示12個高頻線性變壓器串聯(lián)，D1、D2代表72個肖特基整流管，Lo和Co構(gòu)成輸出濾波環(huán)節(jié)，其中Lo代表12個電感，每個變壓器輸出連接一個輸出濾波電感。

全橋變換器相當(dāng)兩個雙管正激變換器組成，兩組雙管正激變換器驅(qū)動脈沖互補(bǔ)。全橋變換器由4個開關(guān)管構(gòu)成，每個橋臂有個開關(guān)管，變壓器的一次側(cè)連接兩個橋臂的中間。全橋電路相對單管、雙管推挽、半橋電路要復(fù)雜一些，但是在選用同樣的開關(guān)功率器件的條件下，可獲得兩倍于半橋電路的輸出功率。和功率開關(guān)管反相并聯(lián)的二極管，一般都是開關(guān)管自身的體二極管代替（由生產(chǎn)工藝集成的），這些二極管用于恢復(fù)能量，同時可以消除漏感產(chǎn)生的瞬間過壓，用于鉗制開關(guān)管承受的最大關(guān)斷電壓。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計

DSP的PWM生成機(jī)制：在開關(guān)電源結(jié)構(gòu)中，開關(guān)電源是通過修改PWM 波占空比改變逆變橋中IGBT的通斷時間從而控制輸出電壓的大小[5]?？刂齐娐匪璧腜WM波的生成是由DSP中事件管理器EVA產(chǎn)生，對每一次主電路的輸出電壓、電流數(shù)據(jù)采集發(fā)生在每個PWM周期末，采集完成后ADC向CPU發(fā)出一個中斷請求，中斷開始，CPU進(jìn)入服務(wù)子程序，按指定的算法對采樣結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的輸出結(jié)果是CMPR的值，PWM的占空比就是通過運(yùn)算輸出的結(jié)果CMPR值來改變，從而改變IGBT的通斷時間，進(jìn)而控制輸出電壓電、流的大小[6]。

規(guī)定超前臂 Z1與Z2為固定臂開關(guān)管，滯后臂 Z3與Z4為移相臂開關(guān)管，其移相角由比較寄存器CMPR2給定。DSP于每周期固定相位180°互補(bǔ)輸出uPWM1和uPWM2，死區(qū)時間由死區(qū)控制寄存器給出，避免上下直通并實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。同理DSP輸出180°互補(bǔ)并帶死區(qū)的uPWM3和uPWM4。只有uPWM1與uPWM4，uPWM2與uPWM3同時為高時，電源才能傳遞功率?？刂齐娫摧敵龅恼伎毡戎灰龅綄?shí)時改變比較寄存器CMPR2的值并保證uPWM3和uPWM4180°互補(bǔ)即可。啟動A/D并觸發(fā)中斷是由計數(shù)寄存器T2CNT與T1CNT同周期且相位差固定來實(shí)現(xiàn)的，在中斷程序中對反饋信號進(jìn)行處理并實(shí)時改變比較寄存器CMPR2的值[7]。

三、仿真結(jié)果

利用仿真軟件PSIM來對電路進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)的主要技術(shù)指標(biāo)為：

輸入電壓：三相AC380V（-5%—+5%）

輸出電壓：DC 25V

輸出電流：DC 125A

開關(guān)頻率：20KHz

實(shí)驗(yàn)中電路的參數(shù)設(shè)置：諧振電感：26μH，隔直電容60μF，輸出濾波電感：88μH，輸出濾波電容：6600μF，開關(guān)頻率：20KHz。

圖3為驅(qū)動脈沖和輸出電壓，電流的波形，可見輸出波形良好，達(dá)到穩(wěn)定的時間較快。

四、結(jié)束語

基于 DSP 的軟開關(guān)電源具有高效節(jié)能、輕巧省料、控制性能好等特點(diǎn)，在消除網(wǎng)側(cè)電流諧波、改善網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、控制逆變輸出波形、提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能方面有很大的改善[8]，已成為現(xiàn)代煤礦電源發(fā)展的主流之一。通過使逆變器開關(guān)器件工作在 ZVZCS 軟開關(guān)狀態(tài)，為進(jìn)一步提高其工作頻率奠定了基礎(chǔ)。監(jiān)控系統(tǒng)的微處理器的邏輯電路發(fā)展趨勢就是低壓大電流，本文所設(shè)計的電源可以滿足其需求。DSP使數(shù)字化電源的波形控制能力更為精確，系統(tǒng)更加緊湊，提高了抗干擾性，保證了煤礦監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時性和穩(wěn)定性[8]。實(shí)驗(yàn)證明電源的性能可以滿足煤礦監(jiān)控系統(tǒng)電源的要求。

參考文獻(xiàn)：

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