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基于DSP的高壓電源的設(shè)計(jì)原理分析

鉅大LARGE  |  點(diǎn)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(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。目前的高壓電源重要采用開關(guān)電源技術(shù),pWM波的出現(xiàn)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(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、出現(xiàn)的pWM波形也沒(méi)有DSp出現(xiàn)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出現(xiàn)的死區(qū)可調(diào)的pWM波完全可代替SG3525或UC3875所出現(xiàn)的pWM波,還可實(shí)現(xiàn)電源輸出調(diào)壓和過(guò)壓過(guò)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(guò)流保護(hù)、過(guò)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(lái)解決這些問(wèn)題。


2設(shè)計(jì)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(hù)電路兩部分。


該系統(tǒng)的工作原理:先將市電220V/50Hz通過(guò)全橋整流濾波后,變成300V左右直流電壓,將其通過(guò)pWM的Buck變換得到0~300V可調(diào)直流電壓。然后直流電經(jīng)過(guò)DC/AC逆變成高頻電壓,經(jīng)過(guò)諧振電路和高頻變壓器后電壓變?yōu)?0kV左右,再經(jīng)倍壓整流得到所需的電壓。DSp系統(tǒng)為DC/DC供應(yīng)電壓輸出幅值的給定信號(hào),同時(shí)接收DC/DC環(huán)節(jié)來(lái)的反饋信號(hào),并實(shí)時(shí)地做出反應(yīng),控制DC/DC環(huán)節(jié)輸出電壓的大小。關(guān)于DC/AC環(huán)節(jié),DSp系統(tǒng)通過(guò)輸出4路脈寬可調(diào)的pWM信號(hào)控制逆變環(huán)節(jié)4個(gè)IGBT的通斷,并且接收反饋動(dòng)作信號(hào),控制4路pWM的脈寬來(lái)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(cè)量,并且供應(yīng)一個(gè)良好的人機(jī)接口,實(shí)時(shí)地顯示各個(gè)參數(shù)值,并供應(yīng)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,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(jīng)整流橋?yàn)V波得到低壓直流電,通過(guò)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(jīng)相控諧振逆變電路,通過(guò)對(duì)前后橋臂的相位控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí),C9通過(guò)VD9被iVD9充電到ui的峰值;在ui的負(fù)半周時(shí),ui的峰值加上C9對(duì)C10充電,通過(guò)VD10被電流iVD10充電,C10的電壓達(dá)到2ui,同時(shí)ui通過(guò)VD1向C1充電;當(dāng)ui再次為正半周時(shí),C11通過(guò)VD11被電流iVD11充電到兩倍的ui峰值,同時(shí)ui的峰值加上C1的電壓對(duì)C2充電,通過(guò)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(duì)值之和,得到80kV高壓。而脈動(dòng)系數(shù)為其矢量之和,正負(fù)脈動(dòng)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


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