基于DSP數(shù)字控制技術(shù)的高壓直流電源的設(shè)計研究

蘇振賀

摘 要：高壓直流電源在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用，本研究提出了一種以DSP數(shù)字控制技術(shù)為核心的高壓直流電源控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)搭建了測試平臺，驗證了系統(tǒng)的可靠性，符合直流電源數(shù)字化、模塊化的發(fā)展趨勢，又便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級，適合在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高壓直流電源；控制系統(tǒng)設(shè)計；IGBT；控制模塊

近年來，當(dāng)今社會對電源的要求越來越高，傳統(tǒng)的高壓直流電源由于體積大、諧波含量高、對電網(wǎng)污染大等缺點，使其逐漸滿足不了人們的需求。隨著電力電子技術(shù)、功率器件和數(shù)字芯片的發(fā)展，數(shù)字高壓直流電源逐漸進(jìn)入人們的視野，逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓直流電源。下面，介紹一種數(shù)字高壓直流電源控制系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)設(shè)計

1.1設(shè)計要求

交流側(cè)諧波含量應(yīng)滿足1994年國家頒布的《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549-93）中諧波含量低于4.5%的要求。系統(tǒng)功率因數(shù)應(yīng)該高于95%。系統(tǒng)要求最后輸出高壓電壓為-80kV。

1.2總體設(shè)計

該系統(tǒng)以DSP為控制核心，其原理是通過ACDC變換器把常規(guī)的220V三相交流電整流為720V的直流電壓輸出，然后再通過DC-DC變換器輸出-80kV的直流電壓[2，3]。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制來達(dá)到高壓直流電源輸出電壓恒定的目的，其原理是通過傳感器對輸出端的電壓進(jìn)行采集然后送入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)要求輸出脈沖信號來控制IGBT開關(guān)的通斷。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)的硬件電路主要由DSP最小系統(tǒng)電路、IGBT驅(qū)動及保護(hù)電路、數(shù)據(jù)采集電路和線性光耦隔離電路組成。其中DSP最小系統(tǒng)電路主要包括常規(guī)的時鐘電路、JTAG下載電路、復(fù)位電路及ADC數(shù)據(jù)采集電路。

2.1 IGBT驅(qū)動及保護(hù)電路

根據(jù)控制系統(tǒng)要求，DSP有6路脈沖信號需要輸出，其中EPWMxA和EPWMxB為兩路互補(bǔ)信號，分別控制橋臂上下兩個IGBT開斷。由于DSP芯片輸出的脈沖信號功率難以驅(qū)動IGBT開關(guān)，因此需要在DSP脈沖輸出端加入驅(qū)動電路以增加驅(qū)動能力。該系統(tǒng)中，驅(qū)動電路主要由QA02和si8220/21組成。

功率開關(guān)（IGBT）的工作環(huán)境通常是高頻、高壓與高電流，因此IGBT很容易受到損害，故需要對IGBT進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)。IGBT的過流保護(hù)電路主要包括變壓器組成的交流互感電路、二極管組成的單相橋式整流電路和LM211N運(yùn)算放大器組成的比較電路。其原理是通過互感電路將主電路電流采集后經(jīng)整流電路、比較器之后同預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測到回路電流超過預(yù)設(shè)值后，會輸出5V的高電壓。IGBT驅(qū)動電路檢測到此信號后會關(guān)閉其驅(qū)動信號，同時DSP和FPGA檢測到此信號后，也會關(guān)閉脈沖信號輸出來保護(hù)IGBT。

2.2 IGBT數(shù)據(jù)采集電路

為了能夠有效地對系統(tǒng)進(jìn)行控制，需分別對交流電源的電壓、電流信號和直流電源的電壓、電流信號進(jìn)行采集。

交流電源信號采集：以交流電壓采集為例進(jìn)行說明。電壓采集電路主要包括LV100霍爾電壓傳感器組成的采集電路和AD820運(yùn)放組成的電壓偏移電路。其中LV100用來采集交流側(cè)電壓；電壓偏移電路主要作用是把LV100采集到的電壓轉(zhuǎn)換成正電壓，以便輸入到DSP的ADC模塊。

直流電源信號采集：因直流電源的輸出均為直流信號，故采用電阻分壓電路方式對AC-DC變換器和DC-DC變換器的直流信號進(jìn)行采集。

2.3線性光耦隔離電路

為了防止系統(tǒng)的控制電路受到干擾，影響其穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，需對主電路與控制電路進(jìn)行電氣隔離，該系統(tǒng)采用高精度線性光耦隔離器件IL300進(jìn)行隔離。

本設(shè)計中線性光耦隔離電路主要由三部分組成：

①AD820運(yùn)算放大器（U11）等組成的跟隨電路；

②IL300的LED、PD1及運(yùn)算放大器（U8）等組成線性光耦隔離電路的輸入部分；

③IL300的PD2及運(yùn)算放大器（U9）等組成線性光耦隔離電路的輸出部分。

當(dāng)電路輸入Vin的電壓時，發(fā)光二極管LED上會產(chǎn)生IF的電流，光敏二極管（PD1和PD2）由于接受到LED的光照，會分別產(chǎn)生Ip1和Ip2的電流。根據(jù)運(yùn)放的特性，輸入電壓Vin會產(chǎn)生電流流過跟隨電路的輸出電阻R17，可得到：

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)要求，控制系統(tǒng)軟件部分主要包含AC-DC和DC-DC兩個控制模塊。AC-DC控制模塊主要是保證PWM整流器模塊輸出恒定電壓，同時保證電源有較高的功率因數(shù)和較低的諧波含量并能夠及時對故障做出響應(yīng)，以保證系統(tǒng)安全；DC-DC控制模塊主要是保證輸出電壓恒定及系統(tǒng)安全。

該系統(tǒng)使用兩塊DSP分別控制AC-DC變換器和DC-DC變換器。該設(shè)計使得兩控制系統(tǒng)間互不影響，各自能獨立運(yùn)行，有利于系統(tǒng)的維護(hù)和升級。兩塊DSP通過并口通訊實現(xiàn)信息交換，相互之間可以實現(xiàn)實時監(jiān)測，能針對不同情況及時做出反應(yīng)，能更好地保證系統(tǒng)的安全。

3.2控制方案

為提高控制系統(tǒng)的實時性，該設(shè)計采用并行控制。該方法將控制系統(tǒng)分為兩個單獨的模塊：其中一個模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)算；另一個模塊則用于控制脈沖的重載。兩個模塊間獨立運(yùn)行，必要時可以進(jìn)行信息交互。從中看出數(shù)據(jù)采集模塊和EPWM模塊各自有不同的中斷源。其中，數(shù)據(jù)采集模塊中的AD轉(zhuǎn)換采用“定時事件”觸發(fā)方式，當(dāng)定時觸發(fā)信號觸發(fā)ADC時，開始一次AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，ADC發(fā)出中斷請求，然后ADC中斷服務(wù)程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理PI處理，給出控制量。EPWM模塊的中斷觸發(fā)以后，EPWM產(chǎn)生模塊將直接讀取并重載ADC中斷服務(wù)程序給出的控制量。

3.3FPGA設(shè)計

為保證系統(tǒng)安全，需同時對系統(tǒng)的多個狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。同時由于DC-DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求，即使系統(tǒng)出現(xiàn)故障也要保證PWM脈沖寬度等于4μs。因此本系統(tǒng)采用FPGA進(jìn)行實時狀態(tài)監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)故障時可以及時關(guān)閉系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全。同時還可以實現(xiàn)DC-DC系統(tǒng)中固定脈寬4Us的要求。

4.系統(tǒng)測試

完成系統(tǒng)設(shè)計之后，為驗證系統(tǒng)可靠性，分別搭建了電源模塊、采集模塊、控制模塊、整流橋模塊、逆變橋模塊及倍壓模塊，最后將其組合得到測試平臺。本次設(shè)計主要對其中幾個主要模塊進(jìn)行測試。

5.結(jié)束語

綜上所述，隨著電力電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，數(shù)字化控制的高壓電源成為研究的熱點。DSP將來自于真實世界未經(jīng)處理的模擬電子信號變換成相應(yīng)的數(shù)字信號，以其為核心技術(shù)進(jìn)行高壓直流電源控制系統(tǒng)的設(shè)計，具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點，能夠較好的滿足系統(tǒng)控制以及現(xiàn)代化生產(chǎn)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]郎福成， 張紅奎， 秦燕，等. 數(shù)字式高壓直流電源控制系統(tǒng)：， CN105406739A[P]. 2016.

[2]汪杰. 數(shù)字高壓直流電源控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 西南交通大學(xué)， 2016.

[3]嚴(yán)萍， 張春林， 高迎慧，等. 一種數(shù)字化高壓直流電源[J]. 強(qiáng)流脈沖技術(shù)研究組， 2010.