基于DSP的高壓電源的設(shè)計(jì)原理分析

1 引言

　　早期的高壓直流電源通常采用220 V工頻交流經(jīng)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(guān)電源技術(shù)，PWM波的產(chǎn)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(guān)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(chǎn)生的PWM波形也沒有DSP產(chǎn)生的PWM波形穩(wěn)定性好，并不能實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊及智能調(diào)壓等功能。此處設(shè)計(jì)以DSP為控制核心，DSP產(chǎn)生的死區(qū)可調(diào)的PWM波完全可代替SG3525或UC3875所產(chǎn)生的PWM波，還可實(shí)現(xiàn)電源輸出調(diào)壓和過壓過流保護(hù)等功能。

　　高壓電源的重要特點(diǎn)就是快速可靠保護(hù)。例如過流保護(hù)、過壓保護(hù)、擊穿短路保護(hù)等，這里在新型直流高壓電源研制上嘗試應(yīng)用新的技術(shù)手段，提出新的設(shè)計(jì)思路來解決這些問題。

　　2 設(shè)計(jì)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(hù)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(diào)直流電壓。然后直流電經(jīng)過DC/AC逆變成高頻電壓，經(jīng)過諧振電路和高頻變壓器后電壓變?yōu)?0 kV左右，再經(jīng)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(shí)時地做出反應(yīng)，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(diào)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(dá)到控制逆變環(huán)節(jié)輸出電壓的目的。DSP系統(tǒng)還可進(jìn)行輸出電壓測量，并且提供一個良好的人機(jī)接口，實(shí)時地顯示各個參數(shù)值，并提供操作控制。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　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(jīng)整流橋?yàn)V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(jīng)相控諧振逆變電路，通過對前后橋臂的相位控制，實(shí)現(xiàn)對電壓的變頻和調(diào)壓，再經(jīng)高頻變壓器和8倍壓整流電路得到直流高壓。該設(shè)計(jì)采用將高頻變壓器接在倍壓電路中間，組成正負(fù)雙向倍壓整流的方式，并使正負(fù)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(fù)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(fù)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(dá)到2ui，同時ui通過VD1向C1充電;當(dāng)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(dá)到2ui。如此正負(fù)反復(fù)下去，充電的最終結(jié)果是C2～C8兩端電壓幾乎達(dá)到2ui，極性為左負(fù)右正;C10～C16兩端電壓也達(dá)到2ui，極性為左正右負(fù)。該設(shè)計(jì)將C16右端接地，將C7右端做為高壓輸出端，輸出電壓為正負(fù)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(fù)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