基于集中控制的模塊化開關(guān)電源系統(tǒng)的研究

徐祖平

（南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院 自動化學(xué)院,江蘇 揚州 225000）

基于集中控制的模塊化開關(guān)電源系統(tǒng)的研究

徐祖平

（南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院 自動化學(xué)院,江蘇 揚州 225000）

針對傳統(tǒng)大功率電鍍電源的不足，介紹了一種基于集中控制的全數(shù)字化大功率電鍍電源，控制器采用DSP+FPGA的形式， DSP TMS320F28335作為主控制器負(fù)責(zé)算法，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)脈沖的分配與下發(fā)，系統(tǒng)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計，可以通過模塊的疊加達(dá)到不同的功率要求，很好的實現(xiàn)了大功率輸出和N+1冗余。由于全波整流在低壓大電流中的缺陷，文章將采用全橋倍流整流軟開關(guān)的主電路方式，最后成功研制了一臺180KW、15KHz的樣機，通過實驗表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定、控制精度高、體積小、成本低。

電鍍電源；集中控制；倍流整流；軟開關(guān)；模塊化；N+1冗余

1 引言

在電鍍行業(yè)里,一般要求工作電源的輸出電壓較低而電流很大。由于半導(dǎo)體功率器件、磁芯材料等方面的原因，單臺大功率開關(guān)電源在設(shè)計和制造中存在較大的困難，成本也比較高，且單臺電源故障會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，降低了系統(tǒng)的可靠性。

目前，電鍍電源大多采用分離的模擬器件或?qū)Ｓ肁SIC 芯片實現(xiàn)PWM 控制, 設(shè)備對外接口不方便, 使用不夠靈活, 不易于實現(xiàn)智能化控制。其輸出側(cè)多采用全波整流式結(jié)構(gòu)，在這種方式下變壓器需要有中心抽頭利用率不高而且不方便生產(chǎn)，輸出電感也會因為大電流而使工藝變得復(fù)雜并會增加輸出濾波電感和變壓器的體積以及整流管上的電壓應(yīng)力，不利于在低壓大電流場合中應(yīng)用。

所以，模塊化、數(shù)字化以及軟開關(guān)相結(jié)合的新型電鍍電源必有很好的發(fā)展前景。

本文介紹的電鍍開關(guān)電源采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計并通過并聯(lián)備份實現(xiàn)N+1冗余，當(dāng)某個模塊發(fā)生故障時，自動切除故障模塊，系統(tǒng)依舊可以正常工作，單個模塊輸出電壓為0～24V、電流0～1500A連續(xù)可調(diào)，文章采用5個模塊并聯(lián)來實現(xiàn)大功率輸出以及N+1冗余，控制系統(tǒng)采用集中控制的方式，DSP負(fù)責(zé)所有模塊的數(shù)據(jù)采集實時計算均流信息，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)脈沖的分配并通過光纖把觸發(fā)脈沖下發(fā)到功率單元的驅(qū)動模塊。主電路輸出側(cè)采用倍流整流軟開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變壓器和輸出濾波電感的設(shè)計都得到了簡化并且提高了整體效率。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊進(jìn)行并聯(lián)，每個模塊的結(jié)構(gòu)和元器件等各項參數(shù)完全相同，這樣就可以根據(jù)不同用戶對功率的需求進(jìn)行模塊疊加，從而避免了由于不同的功率要求而進(jìn)行器件的重新選型和結(jié)構(gòu)上的變化帶來的麻煩。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，本系統(tǒng)采用5個模塊并聯(lián)。

系統(tǒng)主要由功率單元模塊，單元控制電路和主控電路構(gòu)成，控制策略為集中控制，主控負(fù)責(zé)控制策略以及脈沖的生成，底控負(fù)責(zé)驅(qū)動的隔離與放大以及故障檢測，系統(tǒng)可工作在穩(wěn)流、穩(wěn)壓狀態(tài)下，其中穩(wěn)壓控制為雙環(huán)控制，在穩(wěn)壓的前提下進(jìn)行自動數(shù)字均流。

單元模塊中T為主斷路器，K1為主接觸器，K2為輔接觸器，R為軟啟動電阻，由于在上電瞬間對于直流側(cè)的電容兩端來說相當(dāng)于短路這可能會沖壞電容甚至可能使整個功率單元癱瘓所以軟啟動電路是很重要的。在上電初始K2閉合使系統(tǒng)進(jìn)行軟充電，單元控制模塊會檢測直流側(cè)的電壓，當(dāng)檢測到電壓達(dá)到所需要的值時控制器會先閉合K1再斷開K2使其脫離軟啟動。

3 功率單元拓?fù)?/h2>

圖2為全橋諧振倍流整流DC/DC變換器的電路拓?fù)?。圖中Uin表示輸入側(cè)的直流電壓。VT1-VT4為兩組橋臂上的四個功率開關(guān)，C1和C3為滯后橋臂開關(guān)管VT1與VT3的內(nèi)部寄生電容；VDs1及VDs2為滯后橋臂串聯(lián)的二極管；VDR1、VDR2為副邊整流快恢復(fù)二極管；Lr為串聯(lián)諧振電感（已包含高頻變壓器的漏感）；Cb為隔直電容；輸出側(cè)Lf1和Lf2為副邊濾波電感（可共用一個磁芯相互耦合制成）；Cf為輸出側(cè)濾波電容；Rld為相應(yīng)的供電負(fù)載。圖3為軟開工作波形。

4 數(shù)字控制器的軟硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由DSP和FPGA組成，圖4為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，DSP采用TMS320F28335，F(xiàn)PGA采用EP2C20。

整個系統(tǒng)的控制原理為：通過上位機也就是這邊使用的組態(tài)屏來選擇系統(tǒng)的工作模式，選擇哪幾個模塊投入使用并采用什么控制方式（穩(wěn)壓/穩(wěn)流）以及設(shè)定電壓和電流值，各項數(shù)據(jù)設(shè)定完畢后通過串口下發(fā)給DSP， DSP會根據(jù)參數(shù)的設(shè)定自動計算出運行參數(shù)，F(xiàn)PGA通過數(shù)據(jù)總線讀取DSP的計算結(jié)果，通過光纖自動給每個功率單元分配驅(qū)動脈沖。每個底層單元的驅(qū)動模塊只負(fù)責(zé)驅(qū)動脈沖的放大、隔離以及IGBT故障信號的采集與反饋。

4.1 基于DSP28335的數(shù)字均流

大功率直流電源的并聯(lián)首先需要解決的是均流問題，傳統(tǒng)的均流方法大多采用模擬控制，不僅控制精度難以保證，且在均流和冗余方面也存在一定的局限性。采用數(shù)字通行方式的均流，由于需要通信總線，其響應(yīng)時間以及抗干擾能力都有一定的缺陷。

本文采用集中控制的方式，結(jié)合了DSP與FPGA各自的優(yōu)點實現(xiàn)自動均流，DSP實時采集每個單元模塊的電流值，結(jié)合平均電流法自動算出每個單元IGBT驅(qū)動脈沖的移相角，F(xiàn)PGA通過數(shù)據(jù)總線的方式來讀取DSP的計算角度，并產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動脈沖，通過光纖把FPGA生成的驅(qū)動脈沖下發(fā)給對應(yīng)單元的驅(qū)動模塊。由于FPGA并行運行的特點，每個單元的驅(qū)動脈沖可以實現(xiàn)同步，這樣就很好的解決了開關(guān)時序不同步引起的開關(guān)震蕩，進(jìn)一步減少了環(huán)流，同過光纖來傳遞驅(qū)動脈沖，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，由于沒有中間通信環(huán)節(jié)整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間變短，均流控制更加平穩(wěn)。

4.2 N+1冗余設(shè)計

N+1冗余設(shè)計的優(yōu)點在于當(dāng)某個模塊發(fā)生故障時系統(tǒng)仍然可以正常運行其輸出依然可以達(dá)到額定功率。

在N+1并聯(lián)的系統(tǒng)中若系統(tǒng)輸出功率為M，每個功率單元的額定功率為M/N，則在正常工作時主控器下發(fā)指令使每個單元模塊輸出M/N+1的功率，當(dāng)某個模塊發(fā)生故障時，底控和主控都會發(fā)出故障輸出信號使此模塊脫離系統(tǒng)，與此同時主控會調(diào)整下發(fā)指令使每個單元模塊輸出M/N的功率從而保證系統(tǒng)可以正常工作。

5 實驗結(jié)果與分析

功率單元的主要參數(shù)為：輸入為380±5% 50HZ，輸出24V、1500A，直流側(cè)濾波電容采用4個470uf的并聯(lián)，開關(guān)頻率為15KHZ高頻變壓器的變比為18：1，隔直電容為60uf,IGBT采用SKM200GBT4，圖5c為變壓器一次側(cè)與二次側(cè)的波形，從圖中可以看出電源占空比丟失不大， 圖5a為單元并聯(lián)后的電壓電流波形。圖5b為模擬故障時的波形，當(dāng)其中一個模塊發(fā)生故障被切除后其余模塊加大輸出電流使系統(tǒng)正常運行由此可以看出N+1冗余的設(shè)計效果還是很好的。

6 結(jié)論

文章設(shè)計了一種模塊化的開關(guān)型電鍍電源，利用DSP28335和FPGA實現(xiàn)了全數(shù)字化控制，單個模塊為24V、1500A，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計可根據(jù)不同用戶的要求進(jìn)行模塊的疊加并可以實現(xiàn)N+n的冗余，最終完成了功率單元的設(shè)計并且應(yīng)用于5個模塊并聯(lián)的實驗樣機，實驗表明本系統(tǒng)具有良好的智能型、可靠性、高效性。在電鍍行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用價值。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.210

徐祖平（1988-），男,江蘇興化人,碩士,主要從事：電力電子智能控制以及工業(yè)節(jié)能。