基于DSP的高壓電源的設計原理分析

1 引言

　　早期的高壓直流電源通常采用220 V工頻交流經變壓器升壓，整流濾波獲得，電源的體積和重量很大，并且紋波較大，穩定性不高，效率低。目前的高壓電源主要采用開關電源技術，PWM波的產生芯片主要用SG3525(集成PWM控制芯片)或者UC3875(移相諧振全橋軟開關控制器)做成高頻高壓電源，大大減小了電源體積和重量，提高了電源的穩定性和效率。但SG3525功能單一、產生的PWM波形也沒有DSP產生的PWM波形穩定性好，并不能實現與上位機通訊及智能調壓等功能。此處設計以DSP為控制核心，DSP產生的死區可調的PWM波完全可代替SG3525或UC3875所產生的PWM波，還可實現電源輸出調壓和過壓過流保護等功能。

　　高壓電源的重要特點就是快速可靠保護。例如過流保護、過壓保護、擊穿短路保護等，這里在新型直流高壓電源研制上嘗試應用新的技術手段，提出新的設計思路來解決這些問題。

　　2 設計原理

　　高壓電源的總體框圖如圖1所示，電路主要分為主電路和控制保護電路兩部分。

　　該系統的工作原理：先將市電220 V/50 Hz通過全橋整流濾波后，變成300 V左右直流電壓，將其通過PWM的Buck變換得到0～300 V可調直流電壓。然后直流電經過DC/AC逆變成高頻電壓，經過諧振電路和高頻變壓器后電壓變為10 kV左右，再經倍壓整流得到所需的電壓。DSP系統為DC/DC提供電壓輸出幅值的給定信號，同時接收DC/DC環節來的反饋信號，并實時地做出反應，控制DC/DC環節輸出電壓的大小。對于DC/AC環節，DSP系統通過輸出4路脈寬可調的PWM信號控制逆變環節4個IGBT的通斷，并且接收反饋動作信號，控制4路PWM的脈寬來達到控制逆變環節輸出電壓的目的。DSP系統還可進行輸出電壓測量，并且提供一個良好的人機接口，實時地顯示各個參數值，并提供操作控制。

　　3 硬件設計

　　3.1 高壓電源主電路

　　高壓電源主電路見圖2，主要由整流濾波、直流Buck變換和高頻逆變3部分組成。工頻二相交流電經整流橋濾波得到低壓直流電，通過直流Buck變換。使DC/DC變換輸出的電壓控制在0～300 V左右，然后經相控諧振逆變電路，通過對前后橋臂的相位控制，實現對電壓的變頻和調壓，再經高頻變壓器和8倍壓整流電路得到直流高壓。該設計采用將高頻變壓器接在倍壓電路中間，組成正負雙向倍壓整流的方式，并使正負兩端一端接地，另一端輸出高壓，能夠大大減小電壓紋波。

　　正負雙向十倍壓整流電路的基本原理為：在ui的正半周時，C9通過VD9被iVD9充電到ui的峰值;在ui的負半周時，ui的峰值加上C9對C10充電，通過VD10被電流iVD10充電，C10的電壓達到2ui，同時ui通過VD1向C1充電;當ui再次為正半周時，C11通過VD11被電流iVD11充電到兩倍的ui峰值，同時ui的峰值加上C1的電壓對C2充電，通過VD2被電流iVD2充電，C2電壓達到2ui。如此正負反復下去，充電的最終結果是C2～C8兩端電壓幾乎達到2ui，極性為左負右正;C10～C16兩端電壓也達到2ui，極性為左正右負。該設計將C16右端接地，將C7右端做為高壓輸出端，輸出電壓為正負倍壓的絕對值之和，得到80 kV高壓。而脈動系數為其矢量之和，正負脈動值相互抵消因而系統輸出紋波很小。

　　3.2 高壓電源的控制電路