基于集中控制的模塊化開關電源系統的研究

徐祖平

（南京郵電大學通達學院 自動化學院,江蘇 揚州 225000）

基于集中控制的模塊化開關電源系統的研究

徐祖平

（南京郵電大學通達學院 自動化學院,江蘇 揚州 225000）

針對傳統大功率電鍍電源的不足，介紹了一種基于集中控制的全數字化大功率電鍍電源，控制器采用DSP+FPGA的形式， DSP TMS320F28335作為主控制器負責算法，FPGA負責脈沖的分配與下發，系統采用模塊化、標準化的設計，可以通過模塊的疊加達到不同的功率要求，很好的實現了大功率輸出和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，本系統工作穩定、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；模塊化；N+1冗余

1 引言

在電鍍行業里,一般要求工作電源的輸出電壓較低而電流很大。由于半導體功率器件、磁芯材料等方面的原因，單臺大功率開關電源在設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致整個系統癱瘓，降低了系統的可靠性。

目前，電鍍電源大多采用分離的模擬器件或專用ASIC 芯片實現PWM 控制, 設備對外接口不方便, 使用不夠靈活, 不易于實現智能化控制。其輸出側多采用全波整流式結構，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，輸出電感也會因為大電流而使工藝變得復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力，不利于在低壓大電流場合中應用。

所以，模塊化、數字化以及軟開關相結合的新型電鍍電源必有很好的發展前景。

本文介紹的電鍍開關電源采用模塊化、標準化的設計并通過并聯備份實現N+1冗余，當某個模塊發生故障時，自動切除故障模塊，系統依舊可以正常工作，單個模塊輸出電壓為0～24V、電流0～1500A連續可調，文章采用5個模塊并聯來實現大功率輸出以及N+1冗余，控制系統采用集中控制的方式，DSP負責所有模塊的數據采集實時計算均流信息，FPGA負責脈沖的分配并通過光纖把觸發脈沖下發到功率單元的驅動模塊。主電路輸出側采用倍流整流軟開關的拓撲結構，變壓器和輸出濾波電感的設計都得到了簡化并且提高了整體效率。

2 系統總體結構

整個系統采用標準化的模塊進行并聯，每個模塊的結構和元器件等各項參數完全相同，這樣就可以根據不同用戶對功率的需求進行模塊疊加，從而避免了由于不同的功率要求而進行器件的重新選型和結構上的變化帶來的麻煩。圖1為系統結構圖，本系統采用5個模塊并聯。

系統主要由功率單元模塊，單元控制電路和主控電路構成，控制策略為集中控制，主控負責控制策略以及脈沖的生成，底控負責驅動的隔離與放大以及故障檢測，系統可工作在穩流、穩壓狀態下，其中穩壓控制為雙環控制，在穩壓的前提下進行自動數字均流。

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的電容兩端來說相當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閉合使系統進行軟充電，單元控制模塊會檢測直流側的電壓，當檢測到電壓達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 功率單元拓撲

圖2為全橋諧振倍流整流DC/DC變換器的電路拓撲。圖中Uin表示輸入側的直流電壓。VT1-VT4為兩組橋臂上的四個功率開關，C1和C3為滯后橋臂開關管VT1與VT3的內部寄生電容；VDs1及VDs2為滯后橋臂串聯的二極管；VDR1、VDR2為副邊整流快恢復二極管；Lr為串聯諧振電感（已包含高頻變壓器的漏感）；Cb為隔直電容；輸出側Lf1和Lf2為副邊濾波電感（可共用一個磁芯相互耦合制成）；Cf為輸出側濾波電容；Rld為相應的供電負載。圖3為軟開工作波形。

4 數字控制器的軟硬件設計

控制系統主要由DSP和FPGA組成，圖4為控制系統結構框圖，DSP采用TMS320F28335，FPGA采用EP2C20。

整個系統的控制原理為：通過上位機也就是這邊使用的組態屏來選擇系統的工作模式，選擇哪幾個模塊投入使用并采用什么控制方式（穩壓/穩流）以及設定電壓和電流值，各項數據設定完畢后通過串口下發給DSP， DSP會根據參數的設定自動計算出運行參數，FPGA通過數據總線讀取DSP的計算結果，通過光纖自動給每個功率單元分配驅動脈沖。每個底層單元的驅動模塊只負責驅動脈沖的放大、隔離以及IGBT故障信號的采集與反饋。

4.1 基于DSP28335的數字均流

大功率直流電源的并聯首先需要解決的是均流問題，傳統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。采用數字通行方式的均流，由于需要通信總線，其響應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，結合了DSP與FPGA各自的優點實現自動均流，DSP實時采集每個單元模塊的電流值，結合平均電流法自動算出每個單元IGBT驅動脈沖的移相角，FPGA通過數據總線的方式來讀取DSP的計算角度，并產生相應的驅動脈沖，通過光纖把FPGA生成的驅動脈沖下發給對應單元的驅動模塊。由于FPGA并行運行的特點，每個單元的驅動脈沖可以實現同步，這樣就很好的解決了開關時序不同步引起的開關震蕩，進一步減少了環流，同過光纖來傳遞驅動脈沖，增強了系統的抗干擾能力，由于沒有中間通信環節整個系統的響應時間變短，均流控制更加平穩。

4.2 N+1冗余設計

N+1冗余設計的優點在于當某個模塊發生故障時系統仍然可以正常運行其輸出依然可以達到額定功率。

在N+1并聯的系統中若系統輸出功率為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指令使每個單元模塊輸出M/N+1的功率，當某個模塊發生故障時，底控和主控都會發出故障輸出信號使此模塊脫離系統，與此同時主控會調整下發指令使每個單元模塊輸出M/N的功率從而保證系統可以正常工作。

5 實驗結果與分析

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

6 結論

文章設計了一種模塊化的開關型電鍍電源，利用DSP28335和FPGA實現了全數字化控制，單個模塊為24V、1500A，采用標準化、模塊化的設計可根據不同用戶的要求進行模塊的疊加并可以實現N+n的冗余，最終完成了功率單元的設計并且應用于5個模塊并聯的實驗樣機，實驗表明本系統具有良好的智能型、可靠性、高效性。在電鍍行業中有廣泛的應用價值。

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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節能。