基于DSP的全橋式煤礦軟開關電源研究

曲萍

摘要：由于煤礦井下的作業環境相當復雜，監控系統能夠監測采掘工作面的瓦斯，一氧化碳氣體，溫度風俗，風門開關等，為了實現煤礦監控系統的穩定性，以減少瓦斯爆炸，溫度濕度失調或意外狀況的可能性為目的，提出一種基于DSP的全橋式煤礦軟開關電源。該電源一方面利用DSP的PWM波的產生機制，通過修改PWM波占空比改變逆變橋中IGBT的通斷時間從而控制輸出電壓的大小[1]；另一方面采用全橋式變換器相當兩個雙管正激變換器組成，驅動脈沖互補。同樣的開關功率器件下，可獲得兩倍于半橋電路的輸出功率。仿真結果證明，該系統可在復雜的煤礦監控中運用，具有一定的實用性、安全性及經濟性。

關鍵詞：軟開關電源；DSP；PWM；全橋變換器；煤礦安全

目前我國大大小小的煤礦有不下10000 座，而每年因煤礦事故死亡的人數也居高不下，井下監控系統就成了煤礦生產中最為重要的環節之一。傳統的硬開關方式的逆變電源由于存在開關損耗大、效率低、電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）大等的問題[2]，不但影響電源自身的可靠性，而且會影響其它電子設備的正常工作，容易產生拉弧以及電火花，從而引起瓦斯爆炸等安全隱患，軟開關技術是目前解決該問題的主要方法。

為了實現監控系統電源波形的數字化控制，本文的控制核心采用DSP 芯片的TMS320F2812 系列，并由DSP的PWM生成機制來完成調節輸出電壓，并采用全橋式變換器完成軟開關電源的實現，對電源主電路實現了全數字控制，輸出電壓設置定點可調，提高了輸出電壓的精度和穩定度，另一方面采用全橋式變換器，從而大大的提高軟開關電源的輸出功率[3]。

一、電源系統硬件設計

主電路設計：開關電源的硬件基本組成原理圖主要由功率主電路，DSP控制回路以及他輔助電路組成。系統的硬件基本組成電路如圖1所示：

其基本原理是：電網的交流輸入經過EMI整流濾波后得到高品質直流電壓，通過全橋式逆變器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經高頻變壓器隔離變換，輸出所需的高頻交流電壓，最后經過輸出整流濾波電路，將高頻變壓器輸出的高頻交流電壓整流濾波后得到所需要的高質量、高品質的直流電壓[4]，通過采樣電路及光電隔離保護電路輸入給DSP控制器，從而形成負反饋。DSP芯片TMS320F2812通過事件管理器EVA產生PWM波，并加于驅動電路，通過改變占空比輸出模擬量電壓電流。完成反饋調節得到理想的電壓電流。電路拓撲結構如圖2所示。

3PAC表示三相交流380V的電網電壓輸入，3PBreaker表示三相空氣開關，Diode Bridge表示三相不可控整流橋，TD Breaker表示延時啟動開關，防止啟動時充電電流過大，Lin和Cin構成輸入LC濾波環節，IGBT Bridge表示單相逆變橋，Lm表示飽和諧振電感，Co隔直電容，LT表示12個高頻線性變壓器串聯，D1、D2代表72個肖特基整流管，Lo和Co構成輸出濾波環節，其中Lo代表12個電感，每個變壓器輸出連接一個輸出濾波電感。

全橋變換器相當兩個雙管正激變換器組成，兩組雙管正激變換器驅動脈沖互補。全橋變換器由4個開關管構成，每個橋臂有個開關管，變壓器的一次側連接兩個橋臂的中間。全橋電路相對單管、雙管推挽、半橋電路要復雜一些，但是在選用同樣的開關功率器件的條件下，可獲得兩倍于半橋電路的輸出功率。和功率開關管反相并聯的二極管，一般都是開關管自身的體二極管代替（由生產工藝集成的），這些二極管用于恢復能量，同時可以消除漏感產生的瞬間過壓，用于鉗制開關管承受的最大關斷電壓。

二、系統軟件設計

DSP的PWM生成機制：在開關電源結構中，開關電源是通過修改PWM 波占空比改變逆變橋中IGBT的通斷時間從而控制輸出電壓的大小[5]?？刂齐娐匪璧腜WM波的生成是由DSP中事件管理器EVA產生，對每一次主電路的輸出電壓、電流數據采集發生在每個PWM周期末，采集完成后ADC向CPU發出一個中斷請求，中斷開始，CPU進入服務子程序，按指定的算法對采樣結果進行運算，運算的輸出結果是CMPR的值，PWM的占空比就是通過運算輸出的結果CMPR值來改變，從而改變IGBT的通斷時間，進而控制輸出電壓電、流的大小[6]。

規定超前臂 Z1與Z2為固定臂開關管，滯后臂 Z3與Z4為移相臂開關管，其移相角由比較寄存器CMPR2給定。DSP于每周期固定相位180°互補輸出uPWM1和uPWM2，死區時間由死區控制寄存器給出，避免上下直通并實現軟開關。同理DSP輸出180°互補并帶死區的uPWM3和uPWM4。只有uPWM1與uPWM4，uPWM2與uPWM3同時為高時，電源才能傳遞功率。控制電源輸出的占空比只要做到實時改變比較寄存器CMPR2的值并保證uPWM3和uPWM4180°互補即可。啟動A/D并觸發中斷是由計數寄存器T2CNT與T1CNT同周期且相位差固定來實現的，在中斷程序中對反饋信號進行處理并實時改變比較寄存器CMPR2的值[7]。

三、仿真結果

利用仿真軟件PSIM來對電路進行仿真，實驗的主要技術指標為：

輸入電壓：三相AC380V（-5%—+5%）

輸出電壓：DC 25V

輸出電流：DC 125A

開關頻率：20KHz

實驗中電路的參數設置：諧振電感：26μH，隔直電容60μF，輸出濾波電感：88μH，輸出濾波電容：6600μF，開關頻率：20KHz。

圖3為驅動脈沖和輸出電壓，電流的波形，可見輸出波形良好，達到穩定的時間較快。

四、結束語

基于 DSP 的軟開關電源具有高效節能、輕巧省料、控制性能好等特點，在消除網側電流諧波、改善網側功率因數、控制逆變輸出波形、提高系統動態響應性能方面有很大的改善[8]，已成為現代煤礦電源發展的主流之一。通過使逆變器開關器件工作在 ZVZCS 軟開關狀態，為進一步提高其工作頻率奠定了基礎。監控系統的微處理器的邏輯電路發展趨勢就是低壓大電流，本文所設計的電源可以滿足其需求。DSP使數字化電源的波形控制能力更為精確，系統更加緊湊，提高了抗干擾性，保證了煤礦監控系統運行的實時性和穩定性[8]。實驗證明電源的性能可以滿足煤礦監控系統電源的要求。

參考文獻：

[1]姜少飛，閆英敏，趙霞，李鵬程.基于DSP的數字PID控制在開關電源中的應用[J].國外電子測量技術，2009，6：69-70

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[4]王增福，李昶，魏永明.軟開關電源原理與應用[M].北京電子工業出版，2006.

[5]金影梅.基于DSP的軟開關電源的研究[J].科技廣場，2010，36（2）：198-200.

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[7]李遠波，張永俊，周慧峰，李 風.基于 DSP 的軟開關逆變式脈沖電源[J].電力電子技術，2009，43（11）：59-60 .

[8]吳雷，張健，沈東輝，屈曉棟.基于 DSP 的軟開關焊接電源研究[J].電力電子技術，2009，43（8）：37-38.