基于單片機和PSD設計的數制化電源

隨著現代工業的發展和社會進步，人類對電能種類的需求不斷增加，如要求電能有多種制式：直流穩壓電源、交流工頻電源、中高頻感應加熱電源、高壓電解電源等，而且需求的數量也在不斷增加。要提供這些制式的電能，就要有許多不同的電源變換裝置。此外，為滿足各種電氣設備對電源的特殊要求，也需要一些裝置對電源進行變換和控制。這些裝置品種繁多，其原理和構造各不相同，且一般只有有限的功能，難以相互替代。因此，設計出一種通用的電源裝置，使它在原理和結構上不作改動即能提供多制式的電源，具有重要的現實意義。然而，利用60年代的晶閘管以及70年代的自關斷器件（如GTR、GTO）構成的電氣裝置，由于器件的工作頻率低下，難以逾越20kHz這一大關，因而效率較低，原材料消耗較大，并且系統的動態性能不夠理想，易引起所謂的“電力公害”。80年代急速興起的場控自關斷器件（如IGBT、VDMOS、SITH、SIT、MCT等）都是集高頻、高壓、大電流于一身的性能優越的電壓控制器件，它們的出現使得設計和制造出一種通用的電源裝置成為可能。

本文以數制化電壓單元為基礎構成電壓合成器（VS），再由單片機按波形重組合技術（WRT）控制VS中各單元的電子開關（IGBT），使導通單元的電壓迭加得到所需的波形，從而實現所要求的功能。

１ 系統組成和原理

1.1 數制化電壓單元的選取

系統的數制化電壓單元按如下規律選取：

先確定最小的電壓單位（如1V），并取Eo=1V作為基本單元，其次選作為高一位的單元，再次選作為更高一位的單元，……依次類推，如圖１所示。若共有Ｎ位單元，則最高位單元的電壓為：

需要指出的是，這些單元可以是恒定的直流電壓，也可以是等寬的單向脈沖電壓，甚至可以是同頻同相的交流電壓。這里只討論恒定直流電壓的情況。

1.2 電壓波形重組合

先將擬要產生的波形分成若干個垂直條塊，這些條塊的寬度遠小于波形的周期，可看作為具有固定幅值的矩形條塊。這樣給定的電壓波形就可用上述的數制化單元迭加得到，如圖２所示。使用二進制的單元系列不僅可減少單元數目，簡化結構，而且極易利用單片機來進行控制。

1.3 主電路部分

由以上電壓迭加分析可知，各數制化電壓單元應串聯起來，并且每個單元應串聯一個可控制其導通或關斷的電子開關，構成電壓合成器VS。綜合考慮目前電力電子器件的性能，這里選用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作電子開關。這是一種電壓控制型器件，其輸入阻抗高、驅動電路簡單、驅動功率小、開關速度高、開關損耗小；它的通態壓降比VKMOS還低，特別是在大電流區段；且在1/2或1/3額定電流以下區段具有負溫度系數，而在以上區段則具有正溫度系數，因此在并聯使用時具有自動調節電流的能力。另外，IGBT的安全工作區比GTR寬，而且還具有耐脈沖電流沖擊的性能，特別適于作高頻開關使用。

為了使某位數制化電壓單元在關斷時能給其它單元提供電流通路，每位單元在與其控制開關串聯后，應再與一快速恢復二極管反向并聯，如圖３所示。用＝１表示第ｉ位單元被選通，＝０表示關斷，則AO端的電壓為：

為了使裝置能提供交變電壓，在輸出到負載之前須再加裝一開關換向橋，這四個換向開關也選用IGBT，以便于控制和得到與上述一致的性能。這樣當導通、關斷時，輸出端U點的電位高于V點電位；反之，當關斷、導通時，V點的電位高于Ｕ點的電位。

1.4 單片機監控電路部分

為了簡化電路、降低消耗、增強性能，本系統的監控部分主芯片擬采用80C196KC單片機和現場可編程系統器件PSD302。80C196KC是Intel公司的第二代CHMOS型真16位單片機，它在與外部設備進行數據交換和內部運算時均可采用１６位操作方式，時鐘頻率可達16MHz以上，其控制IGBT開關的時間精度可達微秒級，速度比８位單片機快得多。它的指令系統也更加豐富，效率更高。另外，80C196KC還新增了一個外設事務服務器(Peripheral Transaction Server即PTS)，大大提高了響應外設中斷的速度，增強了A/D轉換器的性能（10位/8位）。因此，它特別適合于要求實時處理、實時控制的系統。