基于BUCK調(diào)壓的高壓直流電源的研制

張小偉，朱亦丹

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

高壓電源廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)測試研究與工程實(shí)踐領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)生物靜電效應(yīng)研究、高壓電氣設(shè)備的直流耐壓與泄漏試驗(yàn)測試、環(huán)境處理中的低溫等離子體廢氣處理、醫(yī)用離子加速器及軍事上的雷達(dá)發(fā)射機(jī)等。傳統(tǒng)的高壓直流電源多采用工頻變壓器直接升壓后整流的方式，由于頻率較低，存在著電源體積大、設(shè)備笨重、紋波系數(shù)高及效率低下等缺點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，新的功率器件、新的控制方法等不斷涌現(xiàn)，使得高壓直流電源的性能得到不斷提升，出現(xiàn)了高頻化、模塊化、數(shù)字化及抗干擾能力強(qiáng)的高壓直流電源[1]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)為控制核心的數(shù)字化高壓直流電源，此電源最高輸出電壓40 kV，電流400 mA。其特點(diǎn)是輸出的高壓直流電壓連續(xù)可調(diào)可控，由液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)電源的控制，同時(shí)能實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓電流運(yùn)行狀態(tài)和各種故障告警信息，并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，測試結(jié)果證明了該數(shù)字化高壓直流電源的有效性與可行性。

1 電源方案的分析

圖1為高壓直流電源的系統(tǒng)框圖。由三相整流濾波電路、BUCK斬波電路、低通濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓器、倍壓整流電路、采樣電路、控制驅(qū)動電路和接口電路組成。

圖1 高壓直流電源的系統(tǒng)框圖

三相工頻交流電壓經(jīng)三相不可控整流濾波后得到約500 V左右的低壓直流電壓，經(jīng)BUCK斬波電路得到一個輸出幅度可變可控的直流電壓，通過控制全橋逆變電路的隔離柵雙極晶體管(IGBT)通斷獲得高頻方波輸出，經(jīng)高頻變壓器和倍壓整流電路后輸出為負(fù)極性直流高壓，大地為高壓電源正極。電壓電流采樣電路經(jīng)放大、模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送單片機(jī)控制電路調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)信號占空比以調(diào)節(jié)輸出電壓值、穩(wěn)定輸出，形成閉環(huán)調(diào)節(jié)電路。

2 低壓監(jiān)控電路

低壓監(jiān)控電路主要由低壓輔助電源電路、單片機(jī)(MCU)控制和接口電路、穩(wěn)壓控制和控保電路組成(原理框圖如圖2所示)，提供整機(jī)所需的低壓電源并完成整機(jī)邏輯控制保護(hù)功能；完成一次電源穩(wěn)壓調(diào)節(jié)及通斷控制；完成二次高壓電源穩(wěn)壓調(diào)節(jié)及通斷控制；完成各種故障信號和模擬數(shù)據(jù)的采集取樣；采集本控按鍵狀態(tài)實(shí)現(xiàn)高壓電源的本地控制；通過RS422接口實(shí)現(xiàn)高壓電源與控制臺的通信，實(shí)現(xiàn)高壓電壓的遙控和狀態(tài)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖2 低壓監(jiān)控模塊原理框圖

高壓電源的控制和保護(hù)電路以AT90CAN128單片機(jī)為核心，對高壓電源的工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障信號、本控按鍵、調(diào)節(jié)編碼器等信息進(jìn)行采集處理，實(shí)現(xiàn)高壓電源的一次高壓、二次高壓通斷控制和故障實(shí)時(shí)保護(hù)、定位等功能；利用面板上的LCD顯示器顯示電源各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，用于本控時(shí)的人機(jī)交互功能；對外通過標(biāo)準(zhǔn)RS422串口與遙控終端通信，實(shí)現(xiàn)遙控終端對高壓電源的遠(yuǎn)程檢測和控制。單片機(jī)系統(tǒng)具有獨(dú)立隔離的電源和地線，所有的輸入輸出信號都經(jīng)過隔離和電平轉(zhuǎn)換，以抑制整機(jī)的高壓大電流脈沖信號的干擾，同時(shí)在發(fā)生器發(fā)生打火或其它極端情況下保護(hù)單片機(jī)控制系統(tǒng)免受大電流的沖擊而損壞。MCU控制和接口電路原理框圖如圖3所示。

圖3 MCU控制及接口電路原理框圖

穩(wěn)壓控制和控保電路用以完成一次電源和二次高壓電源穩(wěn)壓控制和硬件故障檢測處理保護(hù)功能。電路上采用2片SG3525 PWM控制芯片，一路完成BUCK降壓變換器控制，一路完成全橋斬波變換控制，輸出的PWM信號送至功率變換器完成高頻交流電源的生成和穩(wěn)壓控制。電路中利用高速比較器完成諸如高壓過壓、高壓過流、高壓保護(hù)、直流過流、水冷保護(hù)等故障的檢測和自鎖，同時(shí)電路中還設(shè)計(jì)有模擬信號量調(diào)理電路，用于處理一次電流(霍爾傳感器)和二次電流(脈沖電流互感器)，系統(tǒng)主要檢測一次電壓、一次電流、二次電壓和二次電流4路模擬量。采用電壓和電流互感器分別對一次電壓和電流進(jìn)行檢測，由于電源二次電壓輸出很高，所以需經(jīng)電阻分壓，然后通過霍爾電壓傳感器進(jìn)行檢測，二次電流檢測則采用回路串電阻的方式。

這4路檢測型號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，進(jìn)入電壓/頻率(V/F)變換器電路，再通過光耦進(jìn)行參考點(diǎn)隔離和電平轉(zhuǎn)換后送入“MCU控制和接口電路”中，經(jīng)頻率/電壓(F/V)變換后送入單片機(jī)的ADC模塊，分別對其順序采樣和 A/D轉(zhuǎn)換[2]。整個模擬信號的取樣、處理、隔離、變換過程如圖4所示。

3 功率變換電路

功率變換器電路由2個變換器電路模塊組成，BUCK降壓變換器模塊和全橋變換器模塊。功率變換器電路提供后級高頻高壓升壓變壓器和整流電路工作所需的中壓功率高頻方波信號。前級的一次電源變換器(BUCK降壓變換器)用于后級全橋輸出脈沖幅度的穩(wěn)壓控制和調(diào)節(jié)，后級的二次電源變換器(全橋變換器)用于產(chǎn)生脈沖寬度(工作比)連續(xù)可調(diào)的中壓功率高頻方波信號，輸出至高壓升壓變壓器，最終產(chǎn)生發(fā)生器工作所需的高壓電壓。模塊采用一體化結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個整體，均固定安裝在變換器散熱水冷底板上，模塊的原理框圖如圖5所示。

圖5 功率變換器模塊原理框圖

BUCK降壓變換器主開關(guān)管利用雙IGBT交替工作的方法，以降低單管工作頻率，降低單管開關(guān)損耗，進(jìn)一步提高BUCK電路工作頻率，提高變換器的可靠性和抗后級打火過流的耐受性能。為了改善IGBT柵極控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小集電極電流上升率，需要在IGBT柵極回路中串聯(lián)電阻R,根據(jù)IGBT 的電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率的不同，選擇合適的R阻值[3]，本設(shè)計(jì)IGBT選用1 200 V/400 A容量，R選100 Ω。

BUCK變換器中的反饋信號由隔離取樣模塊獲得，采用PWM模式調(diào)節(jié)BUCK電路中IGBT的導(dǎo)通時(shí)間來穩(wěn)定和調(diào)節(jié)輸出一次電源的電壓(0～500 V)，從而調(diào)節(jié)后級全橋輸出脈沖幅度，最終有效調(diào)節(jié)后級低溫等離子體發(fā)生器內(nèi)部電暈絲臨界電暈流光放電電壓。一次電源輸出電流利用霍爾傳感器取樣，信號送入低壓模塊中進(jìn)行處理和A/D變換。

全橋變換器利用2個串聯(lián)IGBT模塊構(gòu)成全橋變換電路，主功率變換電路采用電流型饋電模式，在后級負(fù)載發(fā)生放電期間，從電壓調(diào)節(jié)器中輸出的電流能夠及時(shí)地被限制住，從而有效限制打火時(shí)的能量，保護(hù)變換器IGBT。全橋變換器采用PWM模式來調(diào)節(jié)輸出高頻中壓方波的工作比，全橋變換器的PWM調(diào)節(jié)可以利用后級高壓整流輸出的取樣電壓進(jìn)行積分反饋控制，也可以采用恒流源方式采取輸出高壓電流反饋控制的方法[4]，在本設(shè)計(jì)中同時(shí)保留有2種反饋穩(wěn)壓調(diào)節(jié)方式，可以自由切換選擇。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)是基于ICCAVR7.21環(huán)境的C語言開發(fā)，調(diào)試環(huán)境是AVR Studio4.19，利用JTAG ICE仿真器通過MCU的JTAG口在線編程調(diào)試。

軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方案，具有良好的模塊性、可修改性及可移植性。軟件采用自頂向下設(shè)計(jì)、模塊式程序設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)式程序設(shè)計(jì)和流程圖法有機(jī)結(jié)合的方法，充分發(fā)揮各種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢進(jìn)行軟件編程設(shè)計(jì)。力求程序便于閱讀，提高編程效率，簡單明了，層次清楚。軟件主程序流程圖如圖6所示。

圖6 軟件主程序流程圖

5 試驗(yàn)測試

按照前面的方案設(shè)計(jì)了一個高壓直流電源的樣機(jī)，輸入三相380 V 50 Hz交流電源，經(jīng)三相不控整流濾波(LC濾波，無源功率因素校正)成為550 V左右的直流電壓，再經(jīng)過BUCK降壓變換器，得到一個輸出幅度可變可控的直流電壓(一次電源，變化范圍0～500 V)，此直流電壓經(jīng)DC/AC全橋逆變電路得到高頻方波輸出，該方波經(jīng)后級的高壓高頻變壓器升壓，經(jīng)高頻高壓橋式整流后得到所需要的近似純直流的高頻高壓輸出(二次電源，變化范圍0～40 kV)，輸出為負(fù)極性高壓，大地為高壓電源正極。BUCK和全橋逆變電路的驅(qū)動波形見圖7(上邊為BUCK驅(qū)動，下邊為全橋驅(qū)動)，LCD顯示屏顯示的高壓電壓及電流如圖8所示。

圖7 BUCK及全橋逆變的驅(qū)動波形

圖8 LCD顯示的高壓電源電壓及電流

6 結(jié)束語

采用單片機(jī)AT90CAN128為控制核心的設(shè)計(jì)方案，研制了數(shù)字化高壓直流電源裝置，通過RS422串口與遙控終端通信，可實(shí)現(xiàn)高頻高壓電源輸出高壓電壓和電流的有效控制和調(diào)節(jié)，具有工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測功能，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和參數(shù)調(diào)節(jié)功能，具有完善的控制和安全保護(hù)功能。試驗(yàn)測試結(jié)果表明，該裝置可快速準(zhǔn)確地在0～40 kV范圍內(nèi)調(diào)節(jié)直流輸出電壓，功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，克服了傳統(tǒng)機(jī)械式調(diào)壓笨重、效率低下的缺點(diǎn)。同時(shí)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果也驗(yàn)證了該高壓直流電源的合理。