基于单片机的100 kV高压直流电源设计

2020-07-21马金柱

通信电源技术 2020年8期

马金柱

（东文高压电源（天津）股份有限公司，天津 300202）

1 高压直流电源概述

当前，高压直流电源不断向着数字化和智能化方向发展，可以满足高压电源对复杂控制的需要，使电源具有运行状态监测和满足多种工况的能力。高压直流电源在很多领域有着广泛应用，可应用于静电杀菌除尘、电力设备直流耐压和泄漏试验以及核辐射探测等。传统的高压电源设计需要根据电源功率的大小，决定是否采用变压器升压整流或倍压整流技术。倍压电路低频运行会产生较大的纹波，系统运行效率较低，不利于电压反馈和稳压输出。随着电力电子技术的不断进步，高压电源不断向着小型化和高频化方向发展，使高压电源可以应用到更多领域。

当前市场上的高压开关电源开关频率不高，存在着较大能耗，产品价格相对较高，研发出具有高性价比的数字化高频高压直流电源具有重要的现实意义。利用单片机对高压直流电源进行控制，电源的体积会变得更小，重量更轻，拥有更高的控制精度和稳定性，符合高压直流电源的发展方向[1]。

2 低压电路和控制回路的设计

100 kV高压直流电源主电路由降压变压器、整流滤波稳压、直流斩波、低通滤通、高频高压器和倍压整流电路构成。单片机控制系统采集分压器运行信号，通过逻辑运算实现对直流斩波的控制，原理如图1所示。逆变以前的电路可以划分为低压电路和控制回路。

2.1 直流稳压电路的设计

110 kV高压直流电源由市电电网提供的50 Hz、220 V的交流电U1，通过变压器进行降压处理后得到交流电压U2，再对其进行整流转成方向不变的电压Ui，然后通过滤波器处理得到线型平直的直流电，在特殊要求的场合需要再配置稳压电源保证直流电质量。本设计采用并联型稳压电路，滤波处理后的直流电压可以用于稳压电路电压ui，限流电阻和稳压管可以构建起稳压电路，使输出电压Uo=Uz，具体控制流程如图2所示。

在该种结构的电路中，不管供电电压产生波动或是负载端电阻值RL发生变化，稳压管与限流电阻R建立的电路可以起到很好的稳压效果。假定负载电阻值RL不变化，供电电网电压值Ui变大会引起Uo值随之变大。从稳压管特性来分析，如果Uz值变大，Iz会相应提升，会使得限流电阻R形成较大的压降，使Ui值不断变大，从而保证Uo值维持不变。如果供电电压保持不变，负载电阻值RL变大，相应的IL会降低，限流电阻R上形成的电压降会变小。同时，输出电压Uo对应的Iz会变大，通过限流电阻的电流Iz、IL的相加值，可以保证经过R中的电流不会出现太大变化，UR值则会保持原值，那么输出电压Uo处于稳定状态[2-3]。

图1 单片机调压原理框图

图2 直流稳压流程框图

上述两个过程可同时存在，不管供电电压或负载的改变都可以达到稳压控制效果。稳压电路为达到有效稳压效果，需要保证稳压管可以正常运行，结合供电电压和负载电阻值的改变调整限流电阻值，保证限流电阻达到合理的区间，并在区间内选择最合理的电阻值。把通过整流、滤波等处理后的低压直流电提供给直流斩波电路，该电路的输出端为非恒定电流。此外，应该与低通滤波结合，得到稳定的直流输出，保证后续的电路正常工作。

2.2 单片机调压设计

本设计采用STC89C52单片机，是一种高稳定性、低功耗的处理器。内置8 kB空间可编程处理器；P3引脚用于输出PWM控制信号，用于控制BTS驱动板。P1.0～P1.2引脚、P0.0～P0.7引脚与液晶显示器连接，P0.0～P0.7按键回路连接。如果直流稳压电路Uo与基准电压值Uj不符，需要利用PWM波控制大功率驱动芯片BTS7960开发的H桥模块。该模块最大电流可达43 A，与单片机芯片光电隔离。主电路触发信号与单位片PWM引脚连接，需要对模块中设计具有谐波吸收能力的电容。模块的PWM1、PWM2为接入单片机PWM输出信号的端口，也可通过单片机信号接收引脚采集驱动模块过流和短路信号，并设置驱动模块使能。调压设计原理如图3所示。

图3 单片机调压原理框图

本设计采用规则采样法控制PWM波形，该种脉冲控制方法在工程应用领域应用比较广泛，利用三角波作为载波。该种脉冲控制原理对正弦波进行采样处理获取到阶梯波，把三角波与阶梯波交汇点作为对控制对象的开断，以达到SPWM控制方法。如果三角波在顶部或底部对正弦波进行采集处理，这就要求由三角波和阶梯波交汇部位控制脉冲宽度，在采样周期中的位置始终保持对称状态，该种实现方法即所谓的规则采样。该种控制方法有多优点，与其他PWM控制方法对比，实现起来更容易，可以在在线状态下完成运算。

PWM波形调制控制程序是控制的核心，单片机内部配置有内核和指令，具有优先级中断功能，可以对标准电平实现兼容，对脉冲算法有着很快的处理速度，具备掉电唤醒功能。调压控制程序初始运行时，需要将系统内部的每个控制寄存器进行初始化，对常数和变量数据进行复位处理，同时中断向量需要恢复初始值，并对I/O端口进行初始化操作。单片机控制系统开始运行并对外设中的键盘进行扫描处理，识别和判断每个键位状态，根据输入键值实现对脉宽调压控制。如果检测到键盘没有输入键值，需要保持原来的脉冲宽度，并将脉宽控制状态在液晶屏中显示，对能否达到预设值进行识别。如果存在控制偏差，需要通过内部逻辑控制进行微调。如果满足预设值，需要重新进入键盘扫描子程序。

2.3 直流斩波电路设计

该电路是把直流电转变为可进行调整的直流电，实质上是直流-直流变换器。单片机脉冲引脚生成的PWM控制信号可对直流斩波电路进行实时控制。选用BTS7960模块应用于高压直流电源，可以有效提高电源系统的稳定性。该模块为MOSFET驱动型，控制电源为DC 5 V。由于具有P沟道高、低边MOSFET及控制芯片，不再单独配置电荷泵，外界电磁干扰产生的影响较小。该模块还具有电流诊断、过流过压等保护功能，通态电阻值为16 MΩ，具有驱动43 A电流性能。本设计充分应用了BTS模块具备的开关性能，采用单片机脉冲输出引脚输出的PWM占空比实现对BTS开关频率的控制。控制程序可调节脉宽值，再经过低通滤波器将电压转变为与PWM占空有关的直流电压输出，从而达到调压的目的。

3 逆变器的设计

3.1 全桥逆变电路

可利用电感和电容谐振环节建立开关型变换电路。全桥逆变可以划分成4个不同的流程，每段时间设置各不相同。全桥逆变电路采用移相控制方法，是使用较为广泛的控制方式。通过变压器具备的漏感和开关管形成的结电容有效控制零电压开关，建立的电路结构较为简单，可以满足恒定频率控制的需要。但是，因为开关管导通过程类似于电阻，会形成较大的通态损耗。

3.2 主要器件的选型

脉冲发生器是重要的逆变器件，控制着触发脉冲。SG3525为N沟通道功率开关管，该系列的脉冲控制器有着较好的瞬态响应和负载调整率，在8～35 V电压区间内可以正常工作。脉冲信号可以锁存处理，误差放大器共模电压区间不单独设置分压电阻，可以主从模式下同时工作，并与外部时钟保持同步，为电路设计带来了很大便利，并有很好的灵活选择性。对死区时间进行设置时，需要在引脚中设置电阻。软启动端需要接入配套的电容，脉冲比较器反向输入端为低电平状态，输出端则为高电平，锁存器的输出也呈现高电平状态。高电平经过逻辑门控制后控制晶体管，导致无法接通，需要保证启动电容为充电状态。当出现脉冲中止现象时，输出端口信号将被中止，需要后续时钟信号发送后将锁存器复位[4]。

全桥逆变电路的设计是一种拓扑结构方式，需要选用合理的开关管，这将决定逆变过程的实现。开关管有着很好的开关速度和热稳定性，设计中采用IRFP460开关管。驱动电路设计关系到逆变电路的可靠性和安全性。采用单片机控制方式，功率电路开关会产生较大的电磁干扰。不采用隔离驱动电路，则会对控制系统产生较大的干扰。采用IR2110型芯片可以起到很好的抗电磁干扰效果，可以集成全桥功率开关管，减少外围器件设计的工作量，并提供较高频率的驱动能力。该芯片有着较强的电平转换能力，可以有效简化逻辑电路，并提升驱动电路的可靠性。

3.3 逆变电路的设计

对开关管进行控制的脉冲通过SG3525输出。设计逆变电路板时，需要考虑该器件产生的温升现象，避免对整个系统稳定性产生影响，而通过软件方式进行仿真无法发现该问题。电路板布线也有着较高的要求，避免传输线路过长产生较大阻抗，也不利于节省成本。电路板的尺寸应该合理，避免传输线路间形成干扰，并伴随着一定的温升问题，不利于系统的散热。元器件布局方面需尽量减小高频元器件连线长度，以提升控制信号的准确性，且信号线路的宽度不应该超过电源线。高压直流电源电流较大，电源线与地线都较宽，需要对一些关键部位加入去耦电容[5]。

4 高频变压器

高压直流电源中无法一次升压就达到要求，设计采用2个升压变压器。一次升压难度较小，二次升压是电源设计的重要内容。高频高压变压器需要满足高开关频率、高电压等级的要求，还需要充分考虑分布电容产生的负面影响。对高压变压器进行数学建模时，在考虑漏感、分布电容，同时需要关注变换器情况。该变压器需要满足低压输入、高压输出的要求，简化变压器数学模型。原来的变压器匝数不多，输入电压值较低，形成的等效分布电容不高，分布电容储能也不会形成太大改变，对系统的影响并不大，可以不考虑原边绕组寄生电阻值。如果变压器副边匝数较多，会使副边绕组等效分布电容变大。针对高压输入侧来讲，分布电容储能会在开并过程中形成较大变化而影响变换器，需要分析分布电容因素带来的影响。

5 倍压整流电路的设计

变压器输出侧还没有达到100 kV的要求，需要通过倍压整流电路来实现。该电路可以视作电荷泵，最早来自于核技术对高电压的要求演变而来。本设计最高输出电压为100 kV，通过U0=2n×UP-UL进行计算，式中的UP变压器输出峰值电压，UL为倍压整流均压。中，I是负载电流值。L本设计采用4倍压整流，由4个硅堆放与4个电容构成，建立起满足刚性条件的系统结构，以有效节约导线，还可以处理好结构方面的问题。由于倍压电压值很高，需要保证达到设计的绝缘强度，需在电气连接部位和通电位置都涂覆好绝缘胶。电气连接部位可以采用聚四氟乙烯等材料。