基于DSP的高压电源的设计方案解析

　1 引言
　　早期的高压直流电源通常采用220 V工频交流经变压器升压，整流滤波获得，电源的体积和重量很大，并且纹波较大，稳定性不高，效率低。目前的高压电源主要采用开关电源技术，PWM波的产生芯片主要用SG3525（集成PWM控制芯片）或者UC3875（移相谐振全桥软开关控制器）做成高频高压电源，大大减小了电源体积和重量，提高了电源的稳定性和效率。但SG3525功能单一、产生的PWM波形也没有DSP产生的PWM波形稳定性好，并不能实现与上位机通讯及智能调压等功能。此处设计以DSP为控制核心，DSP产生的死区可调的PWM波完全可代替SG3525或UC3875所产生的PWM波，还可实现电源输出调压和过压过流保护等功能。
　　高压电源的重要特点就是快速可靠保护。例如过流保护、过压保护、击穿短路保护等，这里在新型直流高压电源研制上尝试应用新的技术手段，提出新的设计思路来解决这些问题。
　　2 设计原理
　　高压电源的总体框图如图1所示，电路主要分为主电路和控制保护电路两部分。
　　
　　该系统的工作原理：先将市电220 V/50 Hz通过全桥整流滤波后，变成300 V左右直流电压，将其通过PWM的Buck变换得到0～300 V可调直流电压。然后直流电经过DC/AC逆变成高频电压，经过谐振电路和高频变压器后电压变为10 kV左右，再经倍压整流得到所需的电压。DSP系统为DC/DC提供电压输出幅值的给定信号，同时接收DC/DC环节来的反馈信号，并实时地做出反应，控制DC/DC环节输出电压的大小。对于DC/AC环节，DSP系统通过输出4路脉宽可调的PWM信号控制逆变环节4个IGBT的通断，并且接收反馈动作信号，控制4路PWM的脉宽来达到控制逆变环节输出电压的目的。DSP系统还可进行输出电压测量，并且提供一个良好的人机接口，实时地显示各个参数值，并提供操作控制。
　　3 硬件设计
　　3.1 高压电源主电路
　　高压电源主电路见图2，主要由整流滤波、直流Buck变换和高频逆变3部分组成。工频二相交流电经整流桥滤波得到低压直流电，通过直流Buck变换。使DC/DC变换输出的电压控制在0～300 V左右，然后经相控谐振逆变电路，通过对前后桥臂的相位控制，实现对电压的变频和调压，再经高频变压器和8倍压整流电路得到直流高压。该设计采用将高频变压器接在倍压电路中间，组成正负双向倍压整流的方式，并使正负两端一端接地，另一端输出高压，能够大大减小电压纹波。
　　
　　正负双向十倍压整流电路的基本原理为：在ui的正半周时，C9通过VD9被iVD9充电到ui的峰值;在ui的负半周时，ui的峰值加上C9对C10充电，通过VD10被电流iVD10充电，C10的电压达到2ui，同时ui通过VD1向C1充电;当ui再次为正半周时，C11通过VD11被电流iVD11充电到两倍的ui峰值，同时ui的峰值加上C1的电压对C2充电，通过VD2被电流iVD2充电，C2电压达到2ui。如此正负反复下去，充电的最终结果是C2～C8两端电压几乎达到2ui，极性为左负右正;C10～C16两端电压也达到2ui，极性为左正右负。该设计将C16右端接地，将C7右端做为高压输出端，输出电压为正负倍压的绝对值之和，得到80 kV高压。而脉动系数为其矢量之和，正负脉动值相互抵消因而系统输出纹波很小。