基于DSP數字控制技術的高壓直流電源的設計研究

蘇振賀

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

關鍵詞：高壓直流電源；控制系統設計；IGBT；控制模塊

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

1.系統設計

1.1設計要求

交流側諧波含量應滿足1994年國家頒布的《電能質量公用電網諧波》（GB/T14549-93）中諧波含量低于4.5%的要求。系統功率因數應該高于95%。系統要求最后輸出高壓電壓為-80kV。

1.2總體設計

該系統以DSP為控制核心，其原理是通過ACDC變換器把常規的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]。系統采用閉環控制來達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行采集然后送入控制系統，控制系統根據要求輸出脈沖信號來控制IGBT開關的通斷。

2.系統硬件設計

根據設計要求，系統的硬件電路主要由DSP最小系統電路、IGBT驅動及保護電路、數據采集電路和線性光耦隔離電路組成。其中DSP最小系統電路主要包括常規的時鐘電路、JTAG下載電路、復位電路及ADC數據采集電路。

2.1 IGBT驅動及保護電路

根據控制系統要求，DSP有6路脈沖信號需要輸出，其中EPWMxA和EPWMxB為兩路互補信號，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動IGBT開關，因此需要在DSP脈沖輸出端加入驅動電路以增加驅動能力。該系統中，驅動電路主要由QA02和si8220/21組成。

功率開關（IGBT）的工作環境通常是高頻、高壓與高電流，因此IGBT很容易受到損害，故需要對IGBT進行監測和保護。IGBT的過流保護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整流電路、比較器之后同預設值進行比較，當檢測到回路電流超過預設值后，會輸出5V的高電壓。IGBT驅動電路檢測到此信號后會關閉其驅動信號，同時DSP和FPGA檢測到此信號后，也會關閉脈沖信號輸出來保護IGBT。

2.2 IGBT數據采集電路

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

交流電源信號采集：以交流電壓采集為例進行說明。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運放組成的電壓偏移電路。其中LV100用來采集交流側電壓；電壓偏移電路主要作用是把LV100采集到的電壓轉換成正電壓，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行采集。

2.3線性光耦隔離電路

為了防止系統的控制電路受到干擾，影響其穩定性與準確性，需對主電路與控制電路進行電氣隔離，該系統采用高精度線性光耦隔離器件IL300進行隔離。

本設計中線性光耦隔離電路主要由三部分組成：

①AD820運算放大器（U11）等組成的跟隨電路；

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

③IL300的PD2及運算放大器（U9）等組成線性光耦隔離電路的輸出部分。

當電路輸入Vin的電壓時，發光二極管LED上會產生IF的電流，光敏二極管（PD1和PD2）由于接受到LED的光照，會分別產生Ip1和Ip2的電流。根據運放的特性，輸入電壓Vin會產生電流流過跟隨電路的輸出電阻R17，可得到：

3.系統軟件設計

3.1總體設計

根據系統要求，控制系統軟件部分主要包含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和較低的諧波含量并能夠及時對故障做出響應，以保證系統安全；DC-DC控制模塊主要是保證輸出電壓恒定及系統安全。

該系統使用兩塊DSP分別控制AC-DC變換器和DC-DC變換器。該設計使得兩控制系統間互不影響，各自能獨立運行，有利于系統的維護和升級。兩塊DSP通過并口通訊實現信息交換，相互之間可以實現實時監測，能針對不同情況及時做出反應，能更好地保證系統的安全。

3.2控制方案

為提高控制系統的實時性，該設計采用并行控制。該方法將控制系統分為兩個單獨的模塊：其中一個模塊進行數據的采集和運算；另一個模塊則用于控制脈沖的重載。兩個模塊間獨立運行，必要時可以進行信息交互。從中看出數據采集模塊和EPWM模塊各自有不同的中斷源。其中，數據采集模塊中的AD轉換采用“定時事件”觸發方式，當定時觸發信號觸發ADC時，開始一次AD轉換，轉換完成后，ADC發出中斷請求，然后ADC中斷服務程序對采集到的數據進行處理PI處理，給出控制量。EPWM模塊的中斷觸發以后，EPWM產生模塊將直接讀取并重載ADC中斷服務程序給出的控制量。

3.3FPGA設計

為保證系統安全，需同時對系統的多個狀態進行實時監測。同時由于DC-DC電路拓撲結構要求，即使系統出現故障也要保證PWM脈沖寬度等于4μs。因此本系統采用FPGA進行實時狀態監測，當出現故障時可以及時關閉系統，保證系統安全。同時還可以實現DC-DC系統中固定脈寬4Us的要求。

4.系統測試

完成系統設計之后，為驗證系統可靠性，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。本次設計主要對其中幾個主要模塊進行測試。

5.結束語

綜上所述，隨著電力電子技術和控制理論的發展，數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處理的模擬電子信號變換成相應的數字信號，以其為核心技術進行高壓直流電源控制系統的設計，具有體積小、重量輕、效率高等優點，能夠較好的滿足系統控制以及現代化生產要求。

參考文獻：

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

[2]汪杰. 數字高壓直流電源控制系統設計[D]. 西南交通大學， 2016.

[3]嚴萍， 張春林， 高迎慧，等. 一種數字化高壓直流電源[J]. 強流脈沖技術研究組， 2010.