基于單片機(jī)的100 kV高壓直流電源設(shè)計

馬金柱

（東文高壓電源（天津）股份有限公司，天津 300202）

1 高壓直流電源概述

當(dāng)前，高壓直流電源不斷向著數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，可以滿足高壓電源對復(fù)雜控制的需要，使電源具有運行狀態(tài)監(jiān)測和滿足多種工況的能力。高壓直流電源在很多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，可應(yīng)用于靜電殺菌除塵、電力設(shè)備直流耐壓和泄漏試驗以及核輻射探測等。傳統(tǒng)的高壓電源設(shè)計需要根據(jù)電源功率的大小，決定是否采用變壓器升壓整流或倍壓整流技術(shù)。倍壓電路低頻運行會產(chǎn)生較大的紋波，系統(tǒng)運行效率較低，不利于電壓反饋和穩(wěn)壓輸出。隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，高壓電源不斷向著小型化和高頻化方向發(fā)展，使高壓電源可以應(yīng)用到更多領(lǐng)域。

當(dāng)前市場上的高壓開關(guān)電源開關(guān)頻率不高，存在著較大能耗，產(chǎn)品價格相對較高，研發(fā)出具有高性價比的數(shù)字化高頻高壓直流電源具有重要的現(xiàn)實意義。利用單片機(jī)對高壓直流電源進(jìn)行控制，電源的體積會變得更小，重量更輕，擁有更高的控制精度和穩(wěn)定性，符合高壓直流電源的發(fā)展方向[1]。

2 低壓電路和控制回路的設(shè)計

100 kV高壓直流電源主電路由降壓變壓器、整流濾波穩(wěn)壓、直流斬波、低通濾通、高頻高壓器和倍壓整流電路構(gòu)成。單片機(jī)控制系統(tǒng)采集分壓器運行信號，通過邏輯運算實現(xiàn)對直流斬波的控制，原理如圖1所示。逆變以前的電路可以劃分為低壓電路和控制回路。

2.1 直流穩(wěn)壓電路的設(shè)計

110 kV高壓直流電源由市電電網(wǎng)提供的50 Hz、220 V的交流電U1，通過變壓器進(jìn)行降壓處理后得到交流電壓U2，再對其進(jìn)行整流轉(zhuǎn)成方向不變的電壓Ui，然后通過濾波器處理得到線型平直的直流電，在特殊要求的場合需要再配置穩(wěn)壓電源保證直流電質(zhì)量。本設(shè)計采用并聯(lián)型穩(wěn)壓電路，濾波處理后的直流電壓可以用于穩(wěn)壓電路電壓ui，限流電阻和穩(wěn)壓管可以構(gòu)建起穩(wěn)壓電路，使輸出電壓Uo=Uz，具體控制流程如圖2所示。

在該種結(jié)構(gòu)的電路中，不管供電電壓產(chǎn)生波動或是負(fù)載端電阻值RL發(fā)生變化，穩(wěn)壓管與限流電阻R建立的電路可以起到很好的穩(wěn)壓效果。假定負(fù)載電阻值RL不變化，供電電網(wǎng)電壓值Ui變大會引起Uo值隨之變大。從穩(wěn)壓管特性來分析，如果Uz值變大，Iz會相應(yīng)提升，會使得限流電阻R形成較大的壓降，使Ui值不斷變大，從而保證Uo值維持不變。如果供電電壓保持不變，負(fù)載電阻值RL變大，相應(yīng)的IL會降低，限流電阻R上形成的電壓降會變小。同時，輸出電壓Uo對應(yīng)的Iz會變大，通過限流電阻的電流Iz、IL的相加值，可以保證經(jīng)過R中的電流不會出現(xiàn)太大變化，UR值則會保持原值，那么輸出電壓Uo處于穩(wěn)定狀態(tài)[2-3]。

圖1 單片機(jī)調(diào)壓原理框圖

圖2 直流穩(wěn)壓流程框圖

上述兩個過程可同時存在，不管供電電壓或負(fù)載的改變都可以達(dá)到穩(wěn)壓控制效果。穩(wěn)壓電路為達(dá)到有效穩(wěn)壓效果，需要保證穩(wěn)壓管可以正常運行，結(jié)合供電電壓和負(fù)載電阻值的改變調(diào)整限流電阻值，保證限流電阻達(dá)到合理的區(qū)間，并在區(qū)間內(nèi)選擇最合理的電阻值。把通過整流、濾波等處理后的低壓直流電提供給直流斬波電路，該電路的輸出端為非恒定電流。此外，應(yīng)該與低通濾波結(jié)合，得到穩(wěn)定的直流輸出，保證后續(xù)的電路正常工作。

2.2 單片機(jī)調(diào)壓設(shè)計

本設(shè)計采用STC89C52單片機(jī)，是一種高穩(wěn)定性、低功耗的處理器。內(nèi)置8 kB空間可編程處理器；P3引腳用于輸出PWM控制信號，用于控制BTS驅(qū)動板。P1.0～P1.2引腳、P0.0～P0.7引腳與液晶顯示器連接，P0.0～P0.7按鍵回路連接。如果直流穩(wěn)壓電路Uo與基準(zhǔn)電壓值Uj不符，需要利用PWM波控制大功率驅(qū)動芯片BTS7960開發(fā)的H橋模塊。該模塊最大電流可達(dá)43 A，與單片機(jī)芯片光電隔離。主電路觸發(fā)信號與單位片PWM引腳連接，需要對模塊中設(shè)計具有諧波吸收能力的電容。模塊的PWM1、PWM2為接入單片機(jī)PWM輸出信號的端口，也可通過單片機(jī)信號接收引腳采集驅(qū)動模塊過流和短路信號，并設(shè)置驅(qū)動模塊使能。調(diào)壓設(shè)計原理如圖3所示。

圖3 單片機(jī)調(diào)壓原理框圖

本設(shè)計采用規(guī)則采樣法控制PWM波形，該種脈沖控制方法在工程應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，利用三角波作為載波。該種脈沖控制原理對正弦波進(jìn)行采樣處理獲取到階梯波，把三角波與階梯波交匯點作為對控制對象的開斷，以達(dá)到SPWM控制方法。如果三角波在頂部或底部對正弦波進(jìn)行采集處理，這就要求由三角波和階梯波交匯部位控制脈沖寬度，在采樣周期中的位置始終保持對稱狀態(tài)，該種實現(xiàn)方法即所謂的規(guī)則采樣。該種控制方法有多優(yōu)點，與其他PWM控制方法對比，實現(xiàn)起來更容易，可以在在線狀態(tài)下完成運算。

PWM波形調(diào)制控制程序是控制的核心，單片機(jī)內(nèi)部配置有內(nèi)核和指令，具有優(yōu)先級中斷功能，可以對標(biāo)準(zhǔn)電平實現(xiàn)兼容，對脈沖算法有著很快的處理速度，具備掉電喚醒功能。調(diào)壓控制程序初始運行時，需要將系統(tǒng)內(nèi)部的每個控制寄存器進(jìn)行初始化，對常數(shù)和變量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)位處理，同時中斷向量需要恢復(fù)初始值，并對I/O端口進(jìn)行初始化操作。單片機(jī)控制系統(tǒng)開始運行并對外設(shè)中的鍵盤進(jìn)行掃描處理，識別和判斷每個鍵位狀態(tài)，根據(jù)輸入鍵值實現(xiàn)對脈寬調(diào)壓控制。如果檢測到鍵盤沒有輸入鍵值，需要保持原來的脈沖寬度，并將脈寬控制狀態(tài)在液晶屏中顯示，對能否達(dá)到預(yù)設(shè)值進(jìn)行識別。如果存在控制偏差，需要通過內(nèi)部邏輯控制進(jìn)行微調(diào)。如果滿足預(yù)設(shè)值，需要重新進(jìn)入鍵盤掃描子程序。

2.3 直流斬波電路設(shè)計

該電路是把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇M(jìn)行調(diào)整的直流電，實質(zhì)上是直流-直流變換器。單片機(jī)脈沖引腳生成的PWM控制信號可對直流斬波電路進(jìn)行實時控制。選用BTS7960模塊應(yīng)用于高壓直流電源，可以有效提高電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該模塊為MOSFET驅(qū)動型，控制電源為DC 5 V。由于具有P溝道高、低邊MOSFET及控制芯片，不再單獨配置電荷泵，外界電磁干擾產(chǎn)生的影響較小。該模塊還具有電流診斷、過流過壓等保護(hù)功能，通態(tài)電阻值為16 MΩ，具有驅(qū)動43 A電流性能。本設(shè)計充分應(yīng)用了BTS模塊具備的開關(guān)性能，采用單片機(jī)脈沖輸出引腳輸出的PWM占空比實現(xiàn)對BTS開關(guān)頻率的控制?？刂瞥绦蚩烧{(diào)節(jié)脈寬值，再經(jīng)過低通濾波器將電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榕cPWM占空有關(guān)的直流電壓輸出，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。

3 逆變器的設(shè)計

3.1 全橋逆變電路

可利用電感和電容諧振環(huán)節(jié)建立開關(guān)型變換電路。全橋逆變可以劃分成4個不同的流程，每段時間設(shè)置各不相同。全橋逆變電路采用移相控制方法，是使用較為廣泛的控制方式。通過變壓器具備的漏感和開關(guān)管形成的結(jié)電容有效控制零電壓開關(guān)，建立的電路結(jié)構(gòu)較為簡單，可以滿足恒定頻率控制的需要。但是，因為開關(guān)管導(dǎo)通過程類似于電阻，會形成較大的通態(tài)損耗。

3.2 主要器件的選型

脈沖發(fā)生器是重要的逆變器件，控制著觸發(fā)脈沖。SG3525為N溝通道功率開關(guān)管，該系列的脈沖控制器有著較好的瞬態(tài)響應(yīng)和負(fù)載調(diào)整率，在8～35 V電壓區(qū)間內(nèi)可以正常工作。脈沖信號可以鎖存處理，誤差放大器共模電壓區(qū)間不單獨設(shè)置分壓電阻，可以主從模式下同時工作，并與外部時鐘保持同步，為電路設(shè)計帶來了很大便利，并有很好的靈活選擇性。對死區(qū)時間進(jìn)行設(shè)置時，需要在引腳中設(shè)置電阻。軟啟動端需要接入配套的電容，脈沖比較器反向輸入端為低電平狀態(tài)，輸出端則為高電平，鎖存器的輸出也呈現(xiàn)高電平狀態(tài)。高電平經(jīng)過邏輯門控制后控制晶體管，導(dǎo)致無法接通，需要保證啟動電容為充電狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)脈沖中止現(xiàn)象時，輸出端口信號將被中止，需要后續(xù)時鐘信號發(fā)送后將鎖存器復(fù)位[4]。

全橋逆變電路的設(shè)計是一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式，需要選用合理的開關(guān)管，這將決定逆變過程的實現(xiàn)。開關(guān)管有著很好的開關(guān)速度和熱穩(wěn)定性，設(shè)計中采用IRFP460開關(guān)管。驅(qū)動電路設(shè)計關(guān)系到逆變電路的可靠性和安全性。采用單片機(jī)控制方式，功率電路開關(guān)會產(chǎn)生較大的電磁干擾。不采用隔離驅(qū)動電路，則會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大的干擾。采用IR2110型芯片可以起到很好的抗電磁干擾效果，可以集成全橋功率開關(guān)管，減少外圍器件設(shè)計的工作量，并提供較高頻率的驅(qū)動能力。該芯片有著較強(qiáng)的電平轉(zhuǎn)換能力，可以有效簡化邏輯電路，并提升驅(qū)動電路的可靠性。

3.3 逆變電路的設(shè)計

對開關(guān)管進(jìn)行控制的脈沖通過SG3525輸出。設(shè)計逆變電路板時，需要考慮該器件產(chǎn)生的溫升現(xiàn)象，避免對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，而通過軟件方式進(jìn)行仿真無法發(fā)現(xiàn)該問題。電路板布線也有著較高的要求，避免傳輸線路過長產(chǎn)生較大阻抗，也不利于節(jié)省成本。電路板的尺寸應(yīng)該合理，避免傳輸線路間形成干擾，并伴隨著一定的溫升問題，不利于系統(tǒng)的散熱。元器件布局方面需盡量減小高頻元器件連線長度，以提升控制信號的準(zhǔn)確性，且信號線路的寬度不應(yīng)該超過電源線。高壓直流電源電流較大，電源線與地線都較寬，需要對一些關(guān)鍵部位加入去耦電容[5]。

4 高頻變壓器

高壓直流電源中無法一次升壓就達(dá)到要求，設(shè)計采用2個升壓變壓器。一次升壓難度較小，二次升壓是電源設(shè)計的重要內(nèi)容。高頻高壓變壓器需要滿足高開關(guān)頻率、高電壓等級的要求，還需要充分考慮分布電容產(chǎn)生的負(fù)面影響。對高壓變壓器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時，在考慮漏感、分布電容，同時需要關(guān)注變換器情況。該變壓器需要滿足低壓輸入、高壓輸出的要求，簡化變壓器數(shù)學(xué)模型。原來的變壓器匝數(shù)不多，輸入電壓值較低，形成的等效分布電容不高，分布電容儲能也不會形成太大改變，對系統(tǒng)的影響并不大，可以不考慮原邊繞組寄生電阻值。如果變壓器副邊匝數(shù)較多，會使副邊繞組等效分布電容變大。針對高壓輸入側(cè)來講，分布電容儲能會在開并過程中形成較大變化而影響變換器，需要分析分布電容因素帶來的影響。

5 倍壓整流電路的設(shè)計

變壓器輸出側(cè)還沒有達(dá)到100 kV的要求，需要通過倍壓整流電路來實現(xiàn)。該電路可以視作電荷泵，最早來自于核技術(shù)對高電壓的要求演變而來。本設(shè)計最高輸出電壓為100 kV，通過U0=2n×UP-UL進(jìn)行計算，式中的UP變壓器輸出峰值電壓，UL為倍壓整流均壓。中，I是負(fù)載電流值。L本設(shè)計采用4倍壓整流，由4個硅堆放與4個電容構(gòu)成，建立起滿足剛性條件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以有效節(jié)約導(dǎo)線，還可以處理好結(jié)構(gòu)方面的問題。由于倍壓電壓值很高，需要保證達(dá)到設(shè)計的絕緣強(qiáng)度，需在電氣連接部位和通電位置都涂覆好絕緣膠。電氣連接部位可以采用聚四氟乙烯等材料。

6 結(jié) 論

基于單片機(jī)的100 kV高壓直流電源采用全橋逆變方式建立起電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照頻率設(shè)計區(qū)間等要求，優(yōu)選開關(guān)管和隔離芯片，對高頻高壓器進(jìn)行理論分析，確定高頻變壓器型號。單片調(diào)壓可以通過按鍵進(jìn)行設(shè)置，液晶屏提供運行數(shù)據(jù)和參數(shù)顯示，實現(xiàn)對PWM占空比的控制，取得了較好的控制效果。