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基于DSP的高壓電源的設計原理分析

鉅大LARGE  |  點擊量:1288次  |  2020年06月18日  

1引言


早期的高壓直流電源通常采用220V工頻交流經變壓器升壓,整流濾波獲得,電源的體積和重量很大,并且紋波較大,穩定性不高,效率低。目前的高壓電源重要采用開關電源技術,pWM波的出現芯片重要用SG3525(集成pWM控制芯片)或者UC3875(移相諧振全橋軟開關控制器)做成高頻高壓電源,大大減小了電源體積和重量,提高了電源的穩定性和效率。但SG3525功能單一、出現的pWM波形也沒有DSp出現的pWM波形穩定性好,并不能實現與上位機通訊及智能調壓等功能。此處設計以DSp為控制核心,DSp出現的死區可調的pWM波完全可代替SG3525或UC3875所出現的pWM波,還可實現電源輸出調壓和過壓過流保護等功能。


高壓電源的重要特點就是快速可靠保護。例如過流保護、過壓保護、擊穿短路保護等,這里在新型直流高壓電源研制上嘗試應用新的技術手段,提出新的設計思路來解決這些問題。


2設計原理


高壓電源的總體框圖如圖1所示,電路重要分為主電路和控制保護電路兩部分。


該系統的工作原理:先將市電220V/50Hz通過全橋整流濾波后,變成300V左右直流電壓,將其通過pWM的Buck變換得到0~300V可調直流電壓。然后直流電經過DC/AC逆變成高頻電壓,經過諧振電路和高頻變壓器后電壓變為10kV左右,再經倍壓整流得到所需的電壓。DSp系統為DC/DC供應電壓輸出幅值的給定信號,同時接收DC/DC環節來的反饋信號,并實時地做出反應,控制DC/DC環節輸出電壓的大小。關于DC/AC環節,DSp系統通過輸出4路脈寬可調的pWM信號控制逆變環節4個IGBT的通斷,并且接收反饋動作信號,控制4路pWM的脈寬來達到控制逆變環節輸出電壓的目的。DSp系統還可進行輸出電壓測量,并且供應一個良好的人機接口,實時地顯示各個參數值,并供應操作控制。


3硬件設計


3.1高壓電源主電路


高壓電源主電路見圖2,重要由整流濾波、直流Buck變換和高頻逆變3部分組成。工頻二相交流電經整流橋濾波得到低壓直流電,通過直流Buck變換。使DC/DC變換輸出的電壓控制在0~300V左右,然后經相控諧振逆變電路,通過對前后橋臂的相位控制,實現對電壓的變頻和調壓,再經高頻變壓器和8倍壓整流電路得到直流高壓。該設計采用將高頻變壓器接在倍壓電路中間,組成正負雙向倍壓整流的方式,并使正負兩端一端接地,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的電壓達到2ui,同時ui通過VD1向C1充電;當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電壓達到2ui。如此正負反復下去,充電的最終結果是C2~C8兩端電壓幾乎達到2ui,極性為左負右正;C10~C16兩端電壓也達到2ui,極性為左正右負。該設計將C16右端接地,將C7右端做為高壓輸出端,輸出電壓為正負倍壓的絕對值之和,得到80kV高壓。而脈動系數為其矢量之和,正負脈動值相互抵消因而系統輸出紋波很小。


3.2高壓電源的控制電路


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