基于單片機的100 kV高壓直流電源設計

馬金柱

（東文高壓電源（天津）股份有限公司，天津 300202）

1 高壓直流電源概述

當前，高壓直流電源不斷向著數字化和智能化方向發展，可以滿足高壓電源對復雜控制的需要，使電源具有運行狀態監測和滿足多種工況的能力。高壓直流電源在很多領域有著廣泛應用，可應用于靜電殺菌除塵、電力設備直流耐壓和泄漏試驗以及核輻射探測等。傳統的高壓電源設計需要根據電源功率的大小，決定是否采用變壓器升壓整流或倍壓整流技術。倍壓電路低頻運行會產生較大的紋波，系統運行效率較低，不利于電壓反饋和穩壓輸出。隨著電力電子技術的不斷進步，高壓電源不斷向著小型化和高頻化方向發展，使高壓電源可以應用到更多領域。

當前市場上的高壓開關電源開關頻率不高，存在著較大能耗，產品價格相對較高，研發出具有高性價比的數字化高頻高壓直流電源具有重要的現實意義。利用單片機對高壓直流電源進行控制，電源的體積會變得更小，重量更輕，擁有更高的控制精度和穩定性，符合高壓直流電源的發展方向[1]。

2 低壓電路和控制回路的設計

100 kV高壓直流電源主電路由降壓變壓器、整流濾波穩壓、直流斬波、低通濾通、高頻高壓器和倍壓整流電路構成。單片機控制系統采集分壓器運行信號，通過邏輯運算實現對直流斬波的控制，原理如圖1所示。逆變以前的電路可以劃分為低壓電路和控制回路。

2.1 直流穩壓電路的設計

110 kV高壓直流電源由市電電網提供的50 Hz、220 V的交流電U1，通過變壓器進行降壓處理后得到交流電壓U2，再對其進行整流轉成方向不變的電壓Ui，然后通過濾波器處理得到線型平直的直流電，在特殊要求的場合需要再配置穩壓電源保證直流電質量。本設計采用并聯型穩壓電路，濾波處理后的直流電壓可以用于穩壓電路電壓ui，限流電阻和穩壓管可以構建起穩壓電路，使輸出電壓Uo=Uz，具體控制流程如圖2所示。

在該種結構的電路中，不管供電電壓產生波動或是負載端電阻值RL發生變化，穩壓管與限流電阻R建立的電路可以起到很好的穩壓效果。假定負載電阻值RL不變化，供電電網電壓值Ui變大會引起Uo值隨之變大。從穩壓管特性來分析，如果Uz值變大，Iz會相應提升，會使得限流電阻R形成較大的壓降，使Ui值不斷變大，從而保證Uo值維持不變。如果供電電壓保持不變，負載電阻值RL變大，相應的IL會降低，限流電阻R上形成的電壓降會變小。同時，輸出電壓Uo對應的Iz會變大，通過限流電阻的電流Iz、IL的相加值，可以保證經過R中的電流不會出現太大變化，UR值則會保持原值，那么輸出電壓Uo處于穩定狀態[2-3]。

圖1 單片機調壓原理框圖

圖2 直流穩壓流程框圖

上述兩個過程可同時存在，不管供電電壓或負載的改變都可以達到穩壓控制效果。穩壓電路為達到有效穩壓效果，需要保證穩壓管可以正常運行，結合供電電壓和負載電阻值的改變調整限流電阻值，保證限流電阻達到合理的區間，并在區間內選擇最合理的電阻值。把通過整流、濾波等處理后的低壓直流電提供給直流斬波電路，該電路的輸出端為非恒定電流。此外，應該與低通濾波結合，得到穩定的直流輸出，保證后續的電路正常工作。

2.2 單片機調壓設計

本設計采用STC89C52單片機，是一種高穩定性、低功耗的處理器。內置8 kB空間可編程處理器；P3引腳用于輸出PWM控制信號，用于控制BTS驅動板。P1.0～P1.2引腳、P0.0～P0.7引腳與液晶顯示器連接，P0.0～P0.7按鍵回路連接。如果直流穩壓電路Uo與基準電壓值Uj不符，需要利用PWM波控制大功率驅動芯片BTS7960開發的H橋模塊。該模塊最大電流可達43 A，與單片機芯片光電隔離。主電路觸發信號與單位片PWM引腳連接，需要對模塊中設計具有諧波吸收能力的電容。模塊的PWM1、PWM2為接入單片機PWM輸出信號的端口，也可通過單片機信號接收引腳采集驅動模塊過流和短路信號，并設置驅動模塊使能。調壓設計原理如圖3所示。

圖3 單片機調壓原理框圖

本設計采用規則采樣法控制PWM波形，該種脈沖控制方法在工程應用領域應用比較廣泛，利用三角波作為載波。該種脈沖控制原理對正弦波進行采樣處理獲取到階梯波，把三角波與階梯波交匯點作為對控制對象的開斷，以達到SPWM控制方法。如果三角波在頂部或底部對正弦波進行采集處理，這就要求由三角波和階梯波交匯部位控制脈沖寬度，在采樣周期中的位置始終保持對稱狀態，該種實現方法即所謂的規則采樣。該種控制方法有多優點，與其他PWM控制方法對比，實現起來更容易，可以在在線狀態下完成運算。

PWM波形調制控制程序是控制的核心，單片機內部配置有內核和指令，具有優先級中斷功能，可以對標準電平實現兼容，對脈沖算法有著很快的處理速度，具備掉電喚醒功能。調壓控制程序初始運行時，需要將系統內部的每個控制寄存器進行初始化，對常數和變量數據進行復位處理，同時中斷向量需要恢復初始值，并對I/O端口進行初始化操作。單片機控制系統開始運行并對外設中的鍵盤進行掃描處理，識別和判斷每個鍵位狀態，根據輸入鍵值實現對脈寬調壓控制。如果檢測到鍵盤沒有輸入鍵值，需要保持原來的脈沖寬度，并將脈寬控制狀態在液晶屏中顯示，對能否達到預設值進行識別。如果存在控制偏差，需要通過內部邏輯控制進行微調。如果滿足預設值，需要重新進入鍵盤掃描子程序。

2.3 直流斬波電路設計

該電路是把直流電轉變為可進行調整的直流電，實質上是直流-直流變換器。單片機脈沖引腳生成的PWM控制信號可對直流斬波電路進行實時控制。選用BTS7960模塊應用于高壓直流電源，可以有效提高電源系統的穩定性。該模塊為MOSFET驅動型，控制電源為DC 5 V。由于具有P溝道高、低邊MOSFET及控制芯片，不再單獨配置電荷泵，外界電磁干擾產生的影響較小。該模塊還具有電流診斷、過流過壓等保護功能，通態電阻值為16 MΩ，具有驅動43 A電流性能。本設計充分應用了BTS模塊具備的開關性能，采用單片機脈沖輸出引腳輸出的PWM占空比實現對BTS開關頻率的控制。控制程序可調節脈寬值，再經過低通濾波器將電壓轉變為與PWM占空有關的直流電壓輸出，從而達到調壓的目的。

3 逆變器的設計

3.1 全橋逆變電路

可利用電感和電容諧振環節建立開關型變換電路。全橋逆變可以劃分成4個不同的流程，每段時間設置各不相同。全橋逆變電路采用移相控制方法，是使用較為廣泛的控制方式。通過變壓器具備的漏感和開關管形成的結電容有效控制零電壓開關，建立的電路結構較為簡單，可以滿足恒定頻率控制的需要。但是，因為開關管導通過程類似于電阻，會形成較大的通態損耗。

3.2 主要器件的選型

脈沖發生器是重要的逆變器件，控制著觸發脈沖。SG3525為N溝通道功率開關管，該系列的脈沖控制器有著較好的瞬態響應和負載調整率，在8～35 V電壓區間內可以正常工作。脈沖信號可以鎖存處理，誤差放大器共模電壓區間不單獨設置分壓電阻，可以主從模式下同時工作，并與外部時鐘保持同步，為電路設計帶來了很大便利，并有很好的靈活選擇性。對死區時間進行設置時，需要在引腳中設置電阻。軟啟動端需要接入配套的電容，脈沖比較器反向輸入端為低電平狀態，輸出端則為高電平，鎖存器的輸出也呈現高電平狀態。高電平經過邏輯門控制后控制晶體管，導致無法接通，需要保證啟動電容為充電狀態。當出現脈沖中止現象時，輸出端口信號將被中止，需要后續時鐘信號發送后將鎖存器復位[4]。

全橋逆變電路的設計是一種拓撲結構方式，需要選用合理的開關管，這將決定逆變過程的實現。開關管有著很好的開關速度和熱穩定性，設計中采用IRFP460開關管。驅動電路設計關系到逆變電路的可靠性和安全性。采用單片機控制方式，功率電路開關會產生較大的電磁干擾。不采用隔離驅動電路，則會對控制系統產生較大的干擾。采用IR2110型芯片可以起到很好的抗電磁干擾效果，可以集成全橋功率開關管，減少外圍器件設計的工作量，并提供較高頻率的驅動能力。該芯片有著較強的電平轉換能力，可以有效簡化邏輯電路，并提升驅動電路的可靠性。

3.3 逆變電路的設計

對開關管進行控制的脈沖通過SG3525輸出。設計逆變電路板時，需要考慮該器件產生的溫升現象，避免對整個系統穩定性產生影響，而通過軟件方式進行仿真無法發現該問題。電路板布線也有著較高的要求，避免傳輸線路過長產生較大阻抗，也不利于節省成本。電路板的尺寸應該合理，避免傳輸線路間形成干擾，并伴隨著一定的溫升問題，不利于系統的散熱。元器件布局方面需盡量減小高頻元器件連線長度，以提升控制信號的準確性，且信號線路的寬度不應該超過電源線。高壓直流電源電流較大，電源線與地線都較寬，需要對一些關鍵部位加入去耦電容[5]。

4 高頻變壓器

高壓直流電源中無法一次升壓就達到要求，設計采用2個升壓變壓器。一次升壓難度較小，二次升壓是電源設計的重要內容。高頻高壓變壓器需要滿足高開關頻率、高電壓等級的要求，還需要充分考慮分布電容產生的負面影響。對高壓變壓器進行數學建模時，在考慮漏感、分布電容，同時需要關注變換器情況。該變壓器需要滿足低壓輸入、高壓輸出的要求，簡化變壓器數學模型。原來的變壓器匝數不多，輸入電壓值較低，形成的等效分布電容不高，分布電容儲能也不會形成太大改變，對系統的影響并不大，可以不考慮原邊繞組寄生電阻值。如果變壓器副邊匝數較多，會使副邊繞組等效分布電容變大。針對高壓輸入側來講，分布電容儲能會在開并過程中形成較大變化而影響變換器，需要分析分布電容因素帶來的影響。

5 倍壓整流電路的設計

變壓器輸出側還沒有達到100 kV的要求，需要通過倍壓整流電路來實現。該電路可以視作電荷泵，最早來自于核技術對高電壓的要求演變而來。本設計最高輸出電壓為100 kV，通過U0=2n×UP-UL進行計算，式中的UP變壓器輸出峰值電壓，UL為倍壓整流均壓。中，I是負載電流值。L本設計采用4倍壓整流，由4個硅堆放與4個電容構成，建立起滿足剛性條件的系統結構，以有效節約導線，還可以處理好結構方面的問題。由于倍壓電壓值很高，需要保證達到設計的絕緣強度，需在電氣連接部位和通電位置都涂覆好絕緣膠。電氣連接部位可以采用聚四氟乙烯等材料。

6 結 論

基于單片機的100 kV高壓直流電源采用全橋逆變方式建立起電路拓撲結構，按照頻率設計區間等要求，優選開關管和隔離芯片，對高頻高壓器進行理論分析，確定高頻變壓器型號。單片調壓可以通過按鍵進行設置，液晶屏提供運行數據和參數顯示，實現對PWM占空比的控制，取得了較好的控制效果。