中国建设信息化2023年2期

大功率串联谐振高压电源数字化设计

江鸿

贵州航天林泉电机有限公司 贵阳 550000

摘要：本文提出了一种大功率串联谐振高压电源数字化设计的方法。详细探讨了系统方案和串联谐振电路的参数设计；并设计了传统和数字化两种故障检测方法，提高系统运行的可靠性；最后，以自定义通信协议为基础，设计了基于虚拟仪器的上位机监控软件，达到了数字化监控的目的。经实验验证，该电源系统达到设计指标，采用单片机即可实现电源的数字化监控，大大提高了系统的实用性和可靠性。

关键词：串联谐振电源；数字化；单片机；虚拟仪器

0  引言

大功率串联谐振电源因具有结构简单、可靠性高、抗过载能力强等特点，广泛应用于雷达发射机、静电除尘、电动车充电站和实验室等科研场合等，以提供能量为主。传统的高压电源设计采用模拟仪表、电位器等实现对输出电压的监视与控制，对电源的参数设定与修改也是通过人工调节模拟电路的电位器来实现[1-3]，但这种调节方式不仅速度慢、调节精度低，而且会产生较大的测量不确定度，对高压电源的输出精度和安全性都有较大影响。此外，传统的高压电源控制方法也无法满足高压电源的网络化数字化的发展需求[4-5]。本文设计了一款基于单片机控制的数字化大功率串联谐振高压电源，简化监控电路和电源参数设定过程，提高了系统稳定性的同时，也将控制过程简化，并设计了基于虚拟仪器开发软件LabVIEW的上位机程序控制系统，可通过电脑对高压电源进行监控。

1  系统方案设计

（1）系统指标

本文设计的电源技术指标：电源输入采用三相交流380V，输出为直流0~1000V可调，最大输出功率为5kW；电源具有过压过流、过热保护功能；电源可以通过机身的控制面板显示或设定输出电压、系统温度和故障阈值等参数；也能通过上位机程序输入参数和实时监控。

（2）硬件方案设计

图1为串联谐振电源系统框图，电源输入的三相380V交流电经过交流接触器进入EMI滤波器滤除噪声，再经过整流滤波之后形成540V左右的直流母线电压作为串联谐振逆变器的直流输入，串联谐振逆变回路由谐振电容、谐振电感、大功率高频高压变压器、大功率绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)组成。主逆变回路在可调制脉冲 (Pulse frequency modulation, PFM) 触发驱动的控制下，控制大功率IGBT按照PFM调制规律高效地启闭，形成30KHz左右的高频脉冲方波，该方波电压经过变压器升压之后，在变压器次级经过高频高压二极管组成的全桥整流电路整流和滤波电容滤波之后形成系统所需1000V 直流电压。高压取样电路取样该电压后，反馈给PFM脉冲形成控制器，控制产生稳压所需的 PFM驱动脉冲，从而稳定输出电压。

图 1 串联谐振电源系统框图

（3）数字化控制系统方案设计

图 2 数字化控制系统组成图

数字化控制系统组成如图2所示，高压取样电路取样得到的电压提供给单片机ADC管脚进行采集，再通过数字滤波，得到当前电源的输出电压；输入输出电流互感器采集谐振电源的输入和输出电流，通过 ADC 传递给单片机；由于电源运行中会产生一定功率的热量，需要进行合理的热设计，本电源在变压器、功率管、整流桥等关键发热部分，通过单总线的方式连接四路数字温度传感器，实现系统热检测和保护；此外，由12位DAC输出一定的电压给PFM脉冲形成控制器，以达到数字化调压的目的。电源系统运行状态，通过控制面板上的数码管实现监控显示。

上位机程序基于LabVIEW编写，采用状态机结构，通过RS485串口和自定义的通信协议，与电源的数控接口连接，下达控制指令，接收监控状态信息。

2  系统关键参数设计

2.1 串联谐振逆变电路模型分析

串联谐振半桥电路模型如图 3 所示，正常工作状态下，V1和V2轮流导通，在LC谐振回路的作用下，加载到变压器初级的等效为电流源，变压器初级电压不是母线电源电压，因此，串联谐振电路中的变压器具有了电流源的特性，该变压器的设计和普通半桥电路变压器设计方法不同。

图 3 串联谐振半桥电路模型

2.2 变压器参数设计

（1）变压器初级电压的确定

串联谐振半桥电路中，变压器初级电压由输出电压和匝比决定，为系统稳定时电压输出值  和变压器次级匝数与初级匝数的比值n，即

                                     （1）

（2）变压器初级匝数的确定

                              （2）

其中， 为变压器初级匝数。

（3）变压器匝比的确定

串联谐振回路中，一个自然谐振周期的平均功率为

                            （3）

式中，为特性阻抗。由上述公式推导可知，在 一定的时候，n 与 q、都成反比，q一定，n 随之确定。

2.3 谐振电流计算

谐振电流有最大值为

                        （4）

(0 < q < 1)

2.4 谐振参数确定

谐振电感电容主要是由其谐振频率决定，谐振频率为

                                     （5）

特性阻抗为

                         （6）

3.2 软件设计

（1）数字化控制系统软件流程

图4 单片机软件流程图

数字化控制系统的软件设计框架如图4所示，在初始化ADC、DAC、DS18B20和控制面板等外设驱动之后，开启定时器中断和串口中断，分别处理控制系统的任务和上位机下传的指令任务。中断程序设有时间计数器和各项任务的标志位置位，当主函数里执行完该任务后，复位标志。串口中断主要负责运行自定义的协议栈，解析上位机下传的通信帧，通过命令字节执行对应指令，最终上传数据和应答消息。

（2）上位机设计 

上位机采用 LabVIEW 语言编写。基于自定义的通信协议，使用了状态机机制，通过VISA资源接口和USB转RS485模块，与单片机相连。

图5 上位机控制面板

上位机界面如图5所示。打开监控开关，上位机定时向单片机发送监控指令，单片机接收到通信帧后，将本机的各项状态值打包好，上传给上位机，由上位机面板上的各个仪表显示各项状态。

4  总结

本文利用单片机作为主控芯片，提出了一个采用单片机来进行数字化控制的串联谐振大功率电源的设计方案。介绍了串联谐振半桥逆变电路的参数设计方法，着重研究了如何利用单片机实现本电源的数字化采样、控制和保护，并设计了上位机监控软件，提高了电源系统的可靠性和易操作性。经过实际测试和应用表明，本数字化电源在传统和数字化的保护下，出现故障时，能够及时关机并报告故障原因。上位机和通信协议的设计也让电源具有扩展性，可以同时监控多台电源可靠的运行。

参考文献 References

[1] 谭强,吴雷,于长存等.数字电源概述[J].电子元器件与信息技术,2023,7(03):164-167.DOI:10.19772/j.cnki.2096-4455.2023.3.040.

[2] 许弟华.智能化数字电源的应用及其发展前景研究[J].数字技术与应用,2021,39(08):36-38.DOI:10.19695/j.cnki.cn12-1369.2021.08.13.

[3] 俞宏洋,秦怀宇.基于STM32F334的数字BUCK电源设计[J].电子世界,2018(07):188-189.DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2018.07.108.

[4] 廖永福,林磊,李傲等, 移相串联谐振高压电容器充电电源谐振参数设计方法及其电流控制策略[J]. 电工技术学报, 2016(16): 83-92.

[5] 徐祯祥,徐秀华,王令岩.基于UCD3138的数字电源研究与设计[J].国外电子测量术,2018,37(01):56-59.DOI:10.19652/j.cnki.femt.1700605.