基于DSP的直流高壓電源逆變系統的設計

蒲永凡 商宏杰 魏緒波 潘小東 李公平

關鍵詞： 直流高壓電源; DSP; 全橋逆變電路; 控制回路; RCD; SPWM

中圖分類號： TN86?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0005?05

Design of DC high?voltage power supply inverter system based on DSP

PU Yongfan， SHANG Hongjie， WEI Xubo， PAN Xiaodong， LI Gongping

（School of Nuclear Science and Technology， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China）

Abstract： An inverter system taking the DSP as the controller is designed to build a miniaturized， intelligent and high?efficient DC high?voltage power supply. The full bridge inverter circuit is built by using the IGBT in the main circuit part of hardware. The RCD amplitude?limited clamping buffer absorbing circuit and control loop of the power supply are designed. The principle of SPWM generation using the asymmetry regular sampling method is briefly introduced. The working process of the unipolar SPWM in the inverter circuit is analyzed in detail. The generation method and program design of SPWM in the DSP are emphatically introduced. The corresponding program is written in the CCS according to the program design process. The SPWM output with a frequency of 20 kHz is realized. The experimental results show that the whole system can work steadily.

Keywords： DC high?voltage power supply; DSP; full bridge inverter circuit; control loop; RCD; SPWM

0 ?引 ?言

直流高壓電源在軍事、工業、生產生活、科學研究等各個領域都有著廣泛的應用[1]。然而傳統的直流高壓電源存在著體積大、噪聲嚴重、利用效率低等突出問題[2]。隨著各個國家對電源研發的大量投入和現代電力電子技術的快速發展，利用現代開關電源技術可以解決傳統電源存在的突出問題。在開關電源的設計中逆變系統是整個電源設計的關鍵，其主要包括相關硬件電路和SPWM發生器的設計，而SPWM發生器又是設計的重點。現代的SPWM多采用微處理器通過軟件設計的方法來產生。這種方法的控制回路簡單、穩定性高、可實現多閉環控制[3]。隨著數字信號處理器（DSP）的應用使得電源控制回路的設計進一步簡化，逆變系統變得更加簡潔和高效。

本文的主要工作是對直流高壓電源逆變系統的硬件部分進行物理設計和電路搭建，并且對非對稱規則采樣法計算正弦脈寬調制技術的基本原理進行闡述，介紹其在全橋逆變中的工作特點，最后結合DSP設計SPWM的產生程序。

1 ?電源逆變系統的硬件設計

1.1 ?主電路的設計

在現代直流高壓電源的設計中，為了減小諧波和提高效率，針對逆變主電路提出了很多優化設計方案[4]。但本文為了使電源具有較好的穩定性和可靠性，仍舊采用傳統的全橋逆變電路進行設計。其器件的選擇根據電源的輸入功率和電壓進行計算，得到IGBT的最大峰值電壓為987 V，最大電流為26 A。主開關器件選擇Infineon公司FF50R12RT4型的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊，每個模塊由2個IGBT組成，其反向耐壓1 200 V，最大電流50 A，正常工作條件下其延遲時間與上升下降時間之和為0.5 μs，最大開關頻率能達到2 MHz。驅動電路采用德州儀器的隔離式雙通道柵極驅動芯片UCC28521，其具有4 A的峰值拉電流，15 V驅動電壓，最小脈沖寬度為10 ns，最大驅動頻率為5 MHz。

為了防止傳導線徑和變壓器初級繞組上的瞬態電壓和電流對IGBT的損壞[5]，設計了RCD限幅鉗位型緩沖吸收電路。根據文獻[6?7]中的計算公式和電源參數計算得到吸收電容Cs=5.9×10-8 F，電阻R的取值范圍為[7，167] Ω，電阻功率大小PR=3.8 W，二極管有效電流值I0=2.8 A。由以上計算結果分別選擇了0.1 μF，1 200 V的無感吸收電容;30 Ω，5 W的吸收電阻;5 A，1 000 V的鉗位二極管。逆變系統硬件電路的原理圖如圖1所示。

1.2 ?控制回路的設計

電源控制采用雙閉環反饋調節方式，通過采樣電路獲取負載端輸出電壓Vout、三相交流輸入電流Ii、直流母線電流ID的采樣信號，并將它作為電源的反饋調節量和過壓過流保護的觸發信號?？刂苹芈分饕刹蓸与娐?、運算放大器以及DSP組成。其中：采樣電路分為電壓采樣和電流采樣;負載電壓采用精密電阻搭建分壓器進行分壓取樣，根據電源輸出端的電壓和功率進行計算，采用阻值為20 GΩ，功率為12 W的精密電阻作為分壓電阻，阻值為150 kΩ，功率為0.25 W的精密電阻作為采樣電阻，得到負載端輸出的電壓信號為2.63 V。直流母線電流和三相交流輸入電流采用霍爾電流傳感器進行采樣。電流的采樣值通過霍爾傳感器轉化為電壓信號輸出。傳感器采用LTSR25?NP，其最大輸入電流為25 A，標準輸出電壓為2.5 V。運算放大器采用增益帶寬積為38 MHz的OPA4350芯片。

電源的控制回路如圖2所示，它是以DSP作為控制中樞，SPWM作為控制信號，通過反饋系統對電源進行監測和調節。首先在電壓輸出端通過分壓電阻對電壓信號進行獲取，通過霍爾電流傳感器在三相交流輸入端采集電流信號;其次將采集到的電壓信號和電流信號通入OPA4350中隔離和放大;然后再通入DSP，并在其內進行信號的A/D轉換和PID運算，由運算結果對SPWM的占空比進行調節。最后經反饋信號調節后的SPWM波作用于IGBT，實現電源的雙閉環控制，使輸出電壓和電流保持較高穩定度。

回路中以直流母線的采樣信號作為電源的過流保護信號，以負載端電壓采樣信號作為反饋信號的同時也作為過壓保護信號。采樣信號通過ADC模塊將模擬信號轉化為數字信號后，直接與ePWM模塊相連，通過與程序設定中的最大電壓和電流值比較，控制ePWM中的TZ模塊封鎖SPWM的輸出。

2 ?電源的控制策略

2.1 ?正弦脈寬調制原理

脈沖寬度調制技術（PWM）是通過對一系列脈沖的寬度進行調節來等效獲取所需波形的一種控制方法，它的基本控制原理為沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時其效果基本相同[8]。由于實際電路中的電壓波形都為正弦波，因此根據面積等效原理將PWM波的脈沖寬度等效為正弦波的變化規律，使其基波與相同頻率和幅值的正弦波有相同的控制效果。這被稱為正弦脈寬調制技術（SPWM），它是目前應用最多的一種控制方式[9]?；谲浖a生SPWM波方法有很多，其中比較常用的有自然采樣法、等效面積法和規則采樣法。

在DSP中常用的SPWM算法是規則采樣法，它有兩種不同的形式，一種為對稱規則采樣法，該方法產生的SPWM波與正弦波存在一定的誤差，在實際應用中可能會產生較大的總諧波失真（THD）。因此在對稱規則采樣法的基礎上演變出另一種非對稱規則采樣法，它的基本思想同對稱規則采樣法相似，通過在對稱軸與正弦波的交點處構筑平行線，利用平行線與三角波每個邊的交點確定SPWM的脈沖寬度[10]。相對于對稱規則采樣法，非對稱規則采樣法的計算結果更加接近于自然采樣法的結果，并且其THD也更小[11]。

2.2 ?單極性SPWM

逆變電路的控制方式根據設計SPWM波的不同可以分為單極性控制和雙極性控制。其中單極性控制是指在調制信號的半個周期內三角波載波只在正極性或負極性一種極性內變化，所得到的SPWM波形也只在單個極性范圍變化的控制方式[12]。而雙極性控制是與單極性相對應的，其在半個周期內得到的SPWM波形同時在正極性和負極性兩個極性內變化。在應用中兩種控制方式就基波性能而言完全相同，但在線性調節情況下單極性控制方式的諧波性能明顯優于雙極性控制方式[13]。本文研究的直流高壓電源對電壓的控制方式屬于線性調節范圍，因此采用單極性控制方式具有明顯優勢。

2.3 ?單極性正弦脈寬調制過程

由Matlab/Simulink仿真得到的單極性SPWM的IGBT控制波形和相應的輸出電壓波形如圖3所示。從圖中可以看出，SPWM對應于4個IGBT的開關頻率并不相同，其中Q1和Q2主要控制輸出電壓的基波頻率，Q3和Q4控制輸出電壓的載波頻率。經過IGBT有規律的關斷，將輸出電壓半個周期的基波分成9個等幅值不等寬窄的方波，其呈中間對稱的趨勢，近似于正弦波的分布。

在雙極型控制模式下IGBT只在兩種模式下工作，其通過控制IGBT的交替導通來實現不同電壓的輸出。但在單極性工作模式下IGBT會工作在4種開關狀態，其工作過程如圖4所示。在單極性控制方式下分別可以實現正電壓、負電壓和零電壓三種不同的輸出結果，在實際的控制中通過調節SPWM的占空比來得到三種電壓的不同輸出時間，從而實現不同電壓的調節。

3 ?正弦脈寬調制技術在DSP中的實現

3.1 ?數字信號處理器

數字信號處理器是在微處理器（MCU）的基礎上發展起來的，但它是更快、更高效、集成度更高的微處理器。在DSP接近40多年的發展歷程中，產生了許多生產廠家，而TI以提供完整的文檔資料和技術支持取得了巨大的成功，并且它在電源的應用方面也提供了相關的解決方案。因此基于其獨特的優勢，本文選擇了TI的TMS320F28377S作為控制器。其是德州儀器公司推出的TMS320C2000系列中性能較為突出的一款DSP，具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現復雜的控制算法。該芯片具有主頻為200 MHz的32位浮點微處理器，能夠實現24路獨立的PWM輸出與16路支持150 ps微邊界定位的高分辨率PWM。

TMS320F28377S為實際工程應用提供了專門的PWM產生模塊ePWM，其中每個ePWM都是一個獨立的模塊能夠實現兩路獨立的PWM輸出。并且每個ePWM都包含7個小模塊，分別為：時基模塊TB、計數比較模塊CC、動作模塊AQ、死區產生模塊DB、PWM斬波模塊PC、錯誤聯防模塊TZ和事件觸發模塊ET。7個小模塊中的每一個模塊在PWM產生過程中都扮演著不同的角色，通過相互協作可以實現高質量PWM的輸出，并為電源提供保護方案。

3.2 ?數字信號處理器中的程序設計

在SPWM程序設計過程中需要結合非對稱規則采樣法和F28377S中的ePWM模塊進行考慮，因此程序由兩個部分組成：一是控制主程序;二是中斷子程序。其中斷子程序又包括ePWM模塊子程序和SPWM運算子程序。圖5a）是控制主程序的流程圖，主要實現系統和變量的初始化，中斷服務子程序的初始化等;圖5b）為ePWM模塊子程序，其主要設置相關的時基寄存器、比較寄存器、動作寄存器、觸發關斷寄存器、死區寄存器等，并且只要設置相應的寄存器該模塊就能產生特定頻率的PWM波;圖5c）為SPWM運算程序，主要實現SPWM波脈沖寬度的計算，并且通過中斷將計算值賦給比較寄存器的CMPA和CMPB，從而控制ePWM模塊輸出特定寬度的SPWM方波。

4 ?實驗結果

根據電源逆變系統的硬件設計對IGBT全橋、驅動電路、RCD限幅鉗位型緩沖吸收電路進行連接和實驗。實驗中將三相交流電通入調壓器，經調壓器接入三相全橋整流電路并通過電容濾波后作為逆變橋的輸入，再由DSP產生的SPWM控制信號經過驅動電路接入IGBT的柵極，控制輸入的直流電壓隨著SPWM控制波形的變化而變化，實現輸出電壓頻率和占空比的改變。其實物連接如圖6所示。

軟件設計部分采用CCS（Code Composer Studio）編輯器，根據圖5的程序流程圖在TMS320F28377S中設計了SPWM的產生程序。程序根據實際需要采用等效正弦頻率為20 kHz的PWM方波作為基波，按照載波比為1∶8的比例設計了360 kHz的SPWM波作為載波。單極性的SPWM經過IGBT開關管工作后產生的等效SPWM波形如圖3輸出電壓的仿真波形，半個周期的PWM基波經過逆變后被分成9個等幅不等寬左右對稱的方波。實驗采用F28377S數字信號處理器產生的控制波形如圖7所示 。

5 ?結 ?語

本文結合DSP的特點從硬件設計和軟件設計兩個方面對直流高壓電源逆變系統進行介紹。硬件設計部分主要包括全橋逆變主電路、驅動電路、RCD緩沖吸收電路以及控制回路相關的采樣電路，該部分的設計都是采用經典的電路設計方案，具有較高的穩定性。軟件設計部分簡單介紹了SPWM控制原理以及非對稱規則采樣法，闡述了單極性SPWM控制方法在線性調節中的優越性，并說明了其工作過程及特點。最后根據TMS320F28377S數字信號處理器的特點設計了SPWM的程序流程圖，并在CCS中完成了相應的程序設計。實驗結果表明，軟件系統能夠輸出高度對稱的SPWM方波，將其通入硬件電路中能夠穩定工作。

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