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电路结构简单清晰
发布时间:2019-04-22 19:27

  早期的高压直流电源通常采用220 V工频交流经变压器升压,整流滤波获得,电源的体积和重量很大,并且纹波较大,稳定性不高,效率低。目前的高压电源主要采用开关电源技术,PWM波的产生芯片主要用SG3525(集成PWM控制芯片)或者UC3875(移相谐振全桥软开关控制器)做成高频高压电源,大大减小了电源体积和重量,提高了电源的稳定性和效率。但SG3525功能单一、产生的PWM波形也没有DSP产生的PWM波形稳定性好,并不能实现与上位机通讯及智能调压等功能。此处设计以DSP为控制核心,DSP产生的死区可调的PWM波完全可代替SG3525或UC3875所产生的PWM波,还可实现电源输出调压和过压过流保护等功能。

  高压电源的重要特点就是快速可靠保护。例如过流保护、过压保护、击穿短路保护等,这里在新型直流高压电源研制上尝试应用新的技术手段,提出新的设计思路来解决这些问题。

  该系统的工作原理:先将市电220 V/50 Hz通过全桥整流滤波后,变成300 V左右直流电压,将其通过PWM的Buck变换得到0~300 V可调直流电压。然后直流电经过DC/AC逆变成高频电压,经过谐振电路和高频变压器后电压变为10 kV左右,再经倍压整流得到所需的电压。DSP系统为DC/DC提供电压输出幅值的给定信号,同时接收DC/DC环节来的反馈信号,并实时地做出反应,控制DC/DC环节输出电压的大小。对于DC/AC环节,DSP系统通过输出4路脉宽可调的PWM信号控制逆变环节4个IGBT的通断,并且接收反馈动作信号,控制4路PWM的脉宽来达到控制逆变环节输出电压的目的。DSP系统还可进行输出电压测量,并且提供一个良好的人机接口,实时地显示各个参数值,并提供操作控制。

  高压电源主电路见图2,主要由整流滤波、直流Buck变换和高频逆变3部分组成。工频二相交流电经整流桥滤波得到低压直流电,通过直流Buck变换。使DC/DC变换输出的电压控制在0~300 V左右,然后经相控谐振逆变电路,通过对前后桥臂的相位控制,实现对电压的变频和调压,再经高频变压器和8倍压整流电路得到直流高压。该设计采用将高频变压器接在倍压电路中间,组成正负双向倍压整流的方式,并使正负两端一端接地,另一端输出高压,能够大大减小电压纹波。

  正负双向十倍压整流电路的基本原理为:在ui的正半周时,C9通过VD9被iVD9充电到ui的峰值;在ui的负半周时,ui的峰值加上C9对C10充电,通过VD10被电流iVD10充电,C10的电压达到2ui,同时ui通过VD1向C1充电;当ui再次为正半周时,C11通过VD11被电流iVD11充电到两倍的ui峰值,同时ui的峰值加上C1的电压对C2充电,通过VD2被电流iVD2充电,C2电压达到2ui。如此正负反复下去,充电的最终结果是C2~C8两端电压几乎达到2ui,极性为左负右正;C10~C16两端电压也达到2ui,极性为左正右负。该设计将C16右端接地,将C7右端做为高压输出端,输出电压为正负倍压的绝对值之和,得到80 kV高压。而脉动系数为其矢量之和,正负脉动值相互抵消因而系统输出纹波很小。

  图3为DSP控制电路示意图。A/D转换模块采用AD652芯片将由分压器采集的电压信号转换成频率信号,通过光纤传给DSP进行计算。DSP通过计脉冲个数的方式计算采集电压值,对采集的电压进行简单数字滤波处理,防止引入干扰。然后以此电压为依据用数字PI控制策略计算前后桥臂的相位差,通过PWM输出控制信号,同时将采集的电压通过显示器显示。电源的运行状况和输出电压通过键盘来控制。送至逆变环节和Buck电路的驱动信号必须经过驱动保护电路,其目的是一方面将5路驱动信号隔离并滤波放大,另一方面当逆变环节和Buck电路产生过流短路或温度过高等故障时,能够及时产生可靠的故障信号,通知DSP停止发送驱动脉冲。

  为了使控制电路尽量避免受高电压功率部分的影响,要求控制电路与驱动电路隔离。这里采用高速光耦TLP250作为隔离。图4为1路开关管的驱动电路,其他4路类似。

  反馈回路中对输出电压信号的取样,采用在输出端并联电阻,再通过电阻串联衰减的方法实现电压经隔离反馈至DSP,通过DSP程序控制输出PWM波的占空比,进而调节输出电压,达到稳压的目的。

  过流保护采用电流互感器作为电流检测元件,其具有足够快的响应速度,能够在开关管允许的过流时间内将其关断,起到保护作用。过流保护信号经分压、滤波后加至电压比较器的同相输入端,如图5所示。当同相输入端过流检测信号比反相输入端参考电平高时,比较器输出高电平,使VD2从原来的反向偏置状态转变为正向导通,并将同相端电位提升为高电平,使电压比较器一直稳定输出高电平。同时,该过流信号还送到DSP内,通过程序中断来控制PWM输出,起到保护作用。

  该设计由DSP进行控制,DSP产生的5路PWM波,1路用于前级Buck电路调压,另外4路用于高频逆变。采样反馈电路将每级输出反馈回DSP,通过与设定电压比较来控制PWM输出的变化。该设计程序流程图如图6所示。

  电源供电输入为220 V二相交流电,整流后母线 V,最大电流100A。滤波电感约为1 mH,电容为560F/1 kV,后级高压侧谐振电感L=300H,谐振电容C1F,工作频率约为19 kHz,最大谐振电流30 A。经取样电阻取样后得到图7所示结果。

  该设计提出了一种设计高压电源的新思路,并且进行了大量实验。实验结果表明,用Buck电路做前级调压,用DSP对5个开关管进行控制是可行的,并且实验效果比用SG3525要好很多,而且该系统的体积大大减小,电路结构简单清晰,调压响应平稳、快速;输出电压稳定度高,纹波系数小,电路抗干扰能力强;完全能满足X射线管的要求,而且有望实现高压电源的嵌入式应用。