基于恒壓電源的設(shè)計(jì)

王凱

摘 要：目前我國正處于電子和電信技術(shù)系統(tǒng)飛速發(fā)展的時(shí)代，各種電子設(shè)備都會(huì)用到各種各樣的電源。恒流電源是各類電子設(shè)備和電子線路的重要組成部分。文中采用固態(tài)電器--IGBT來獲取高壓脈沖波形。由于脈沖電源有斷續(xù)供電的特性，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：恒壓；電源；設(shè)計(jì)；

文章編號(hào)：1674-3520（2015）-08-00-01

一、電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電容充放電式是通過長(zhǎng)時(shí)充電、瞬間放電，即通過控制充放電的時(shí)間比例，達(dá)到能量壓縮、輸出高壓大功率脈沖的目的。它可以輸出的脈沖功率和電壓等級(jí)較高，脈沖上升沿較陡；只是輸出脈沖的精度難以控制，而且重復(fù)頻率低。文中采用這種兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。兩級(jí)式有脈沖穩(wěn)定、可控性好、精度高、重復(fù)頻率變化范圍大特點(diǎn)，因而適用范圍較廣。

圖1 高壓脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

二、電源主電路結(jié)構(gòu)和工作原理

電源主電路原理圖如圖2所示，電路工作過程：220 V交流通過整流濾波后得到低壓直流輸出，通過LCC串并聯(lián)諧振逆變經(jīng)高頻升壓后向儲(chǔ)能電容C充電，經(jīng)過IGBT全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出。圖2中LCC串并聯(lián)諧振變換器是核心部分，工作原理是：使功率開關(guān)管的電流或電壓波形變?yōu)檎也?、?zhǔn)正弦波或局部正弦波，這樣能使功率開關(guān)管在零電壓或零電流條件下導(dǎo)通或關(guān)斷，減少開關(guān)管開通和關(guān)斷時(shí)的損耗，同時(shí)提高開關(guān)頻率，減小開關(guān)噪聲，降低EMI干擾和開關(guān)應(yīng)力。

圖2主電路圖

LCC諧振變換器有3種工作方式：① fr>fs>0.5fr的電流連續(xù)模式（CCM），開關(guān)管為零電流/零電壓關(guān)斷、硬開通，反并聯(lián)二極管自然開通但關(guān)斷時(shí)二極管有反向恢復(fù)電流，電路開關(guān)損耗較大；② fs<0.5fr的電流斷續(xù)模式（DCM），開關(guān)管工作在零電流/零電壓關(guān)斷、零電流開通狀態(tài)，反并聯(lián)二極管自然開通、自然關(guān)斷； ③fs>fr仍然為電流連續(xù)模式（CCM），與②的區(qū)別是開關(guān)管為零電流/零電壓開通、硬關(guān)斷，電路開關(guān)損耗同樣較大。諧振頻率為：

三、電源的控制

主要通過恒定導(dǎo)通時(shí)間-恒頻控制的方法實(shí)現(xiàn)LCC串并聯(lián)諧振充電電路的軟開關(guān)，減少開關(guān)損耗，調(diào)節(jié)輸出電壓；系統(tǒng)的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)，及利用變頻變寬的控制方法實(shí)現(xiàn)后級(jí)脈沖形成電路的輸出脈沖控制等.TMS320F2812開發(fā)板內(nèi)部集成16路12位A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)高性能CPLD器件XC95144XL、兩個(gè)事件管理器模塊，可實(shí)現(xiàn)過壓、過流保護(hù)在內(nèi)的電源系統(tǒng)運(yùn)行，提高輸出電壓的精度和穩(wěn)定度。

四、過流保護(hù)

當(dāng)負(fù)載電流超過設(shè)定值或發(fā)生短路時(shí)，需對(duì)電源本身提供保護(hù)，系統(tǒng)的過流保護(hù)在系統(tǒng)的安全性方面占有重要的地位。過流保護(hù)電路與過壓保護(hù)電路相似，如圖4所示。將轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)輸入到F2812的，啟動(dòng)保護(hù)程序，故障鎖存器置位，系統(tǒng)復(fù)位重新啟動(dòng)。

五、過壓保護(hù)

通過高頻降壓互感器檢測(cè)脈沖升壓變壓器原邊電壓得到電壓信號(hào)Ui，將Ui作為過壓保護(hù)電路的輸入電壓，將過壓保護(hù)電路的輸出信號(hào)接到DSPF2812的引腳，使系統(tǒng)重新啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)的目的，以達(dá)到保護(hù)負(fù)載的安全。

六、仿真電路分析

令k=Cp/Cs，圖5（a）為k=0.25諧振電流和諧振電壓波形。選擇直流母線電壓Vin=300 V，開關(guān)頻率fs=25 kHz，脈寬tw=10μs，Lr=50 μH，Cs=0.2μF，諧振頻率kHz，即滿足fs<1/2fr，LCC串并聯(lián)諧振變換器工作在DCM模式下，高頻升壓變壓器變比為1：4.高壓脈沖形成電路中，脈沖升壓變壓器變比為1：12，雙極性脈沖仿真波形如圖5（b）所示。

圖5 仿真波形圖

七、總結(jié)

本文分析了電源的各個(gè)組成部分及功能，設(shè)計(jì)了一種基于IGBT的高壓脈沖電源，并由DSP產(chǎn)生控制IGBT的觸發(fā)信號(hào)，過流保護(hù)、實(shí)現(xiàn)過壓，實(shí)現(xiàn)電源的數(shù)字化控制，可精確控制輸出脈沖電壓、輸出脈沖寬度、頻率和輸出脈沖數(shù)等，且利用LCC串并聯(lián)諧振充電電路作為對(duì)中間儲(chǔ)能電容充電的結(jié)構(gòu)，能更好的實(shí)現(xiàn)裝置的急速充電和更小模塊化。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙世強(qiáng)等.電子電路EDA技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000年

[2]Franz Monsse. MicroSim PSpice with circuit analysis. 2nd ed. Prentice Hall，1998

[3]Charles K Alexander， Matthew N O Sadiku. Fundamentals of electric circuits. 影印版. 北京：清華大學(xué)出版社， 2000

[4]周守昌.電路原理.北京：高等教育出版社，1999

[5]王楚，余道衡.電路分析.北京：北京大學(xué)出版社，2000