（通信与信息系统专业论文）数字式电镀电源并联均流系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着开关电源输出电流的日益增加，由多个电源模块并联替代单个大电流模 块输出大电流的优势也越来越明显，灵活而且经济的分布式电源系统已经成为电 源系统之趋势，而其中的电源模块电流平衡成为技术关键之一。本文研究了一种 新的均流控制方法，并且将这种方法应用于大电流的电镀电源模块的并联系统 中。 论文介绍了模块化电源系统的一种较好的整体设计方案：由多个并联的电源 功率模块构成电源的功率部分，每个功率电源模块配备一个均流控制器来完成。 论文详细地总结和比较了目前几种均流的主流方案，在此基础上提出了一种建立 在数字通信基础之上的多模块有源均流新方案，实验表明均流效果非常好。 本文以电镀电源的并联为例，来讲述并联均流系统的数字化的实现方式。文 章首先介绍了电镀电源单模块的实现，包括主回路拓扑结构，电路的元件选择， i g b t 驱动，外环控制电路的设计，以及与外部控制器的接口电路( 包括电压电 流设定口线，电压反馈，电流反馈口线等) 。在介绍单模块后，给出了均流控制 器的设计方案，它以p i c l 8 f 6 6 j 1 0 为主控芯片，以c a n 总线作为通信媒介，将 各单电源模块有机联系在一起，通过算法实现了恒流模式的并联均流和稳压模式 的并联均流。此外，控制器还提供了友善的人机交互界面，用户可以随时通过人 机界面观察到系统的工作状态，以及系统中每一台模块的输出电流，实测电压， 且可以随时改变设定值，方便简捷。 最后，本文对实测数据进行分析，得出并联系统的性能，由数据分析可以看 出系统稳定性，均流性能好。 关键词：均流， n + x 冗余， c a n 总线，电源并联 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go u t p u tc u r r e n to ft h es w i t c h m o d ep o w e rs u p p l y , c o m p a r e d t ot h es i n g l el a r g em o d u l e ，p a r a l l e l e dp o w e rm o d u l e sh a v es i g n i f i c a n ta d v a n t a g e si n s u p p l y i n gl a r g eo u t p u tc u r r e n t af l e x i b l ea n de c o n o m i cd i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m b e c o m e sat r e n d ，a n dt h ec u r r e n tb a l a n c ei so n eo ft h ek e yi s s u e sd u r i n gt h ed e s i g no f ap a r a l l e l e dp o w e rs y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e so nan e wc u r r e n t s h a r i n gc o n t r o l s y s t e mu s e di na l lu l t r a - h e a v yc u r r e n te l e c t r o p l a t i n gp o w e rs y s t e m a no v e r a l lp l a no ft h em o d u l a r i z e de l e c t r o p , l a t i n gp o w e rs y s t e mi si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r t h ep o w e rs e c t i o nc o n s i s t so fs e v e r a lp a r a l l e l e dp o w e rm o d u l ew i t ha n c u r r e n t - s h a r i n gc o n t r o l l e rt oe v e r ym o d u l e b e s i d e s ，t h ep a p e ra l s od i s c u s s e ss e v e r a l p o p u l a rc u r r e n t s h a r i n gs c h e m e s ，a n dt h e np u t s f o r w a r dan e wk i n do fa c t i v e c u r r e n t - s h a r i n gs c h e m eb a s e do nt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o nw h i c hs h o w se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e t h i sp a p e rt a k e st h ep a r a l l e l i n go ft h ee l e c t r o p l a t i n gp o w e ra sa ne x a m p l et ot e l l t h ed i g i t a lr e a l i z a t i o no ft h ep a r a l l e l e dc u r r e n t - s h a r i n gs y s t e m a tf i r s ti ti n t r o d u c e s t h er e a l i z a t i o no ft h es i n g l em o d u l e ，s u c ha st h et o p o l o g yo ft h em a i nc i r c u i t ，t h e c h o i c eo ft h ec o m p o n e n t ，t h ei g b td r i v e r , t h ed e s i g no ft h eo u t e rr i n gc o n t r o lc i r c u i t a n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i to ft h ee x t e m a lc o n t r o l l e rw h i c hc o n t a i n st h ep i n - s e t t i n g so f t h ev o l t a g eo rc u r r e n t ，t h ev o l t a g ef e e d b a c ka n dt h ec u r r e n tf e e d b a c ka n ds oa 1 1 a f t e r t h a t ，i tt e l l st h ed e s i g ns c h e m eo ft h ec u r r e n t s h a r i n gc o n t r o l l e r , w h i c ht a k e st h e p i c18 f 6 6 j10a st h em a i nc o n t r o lc h i pa n dt h ec a nb u sa st h ec o m m u n i c a t i o n m e d i u mt oc o n n e c te v e r ys i n g l em o d u l et o g e t h e r , a n dr e a l i z e st h ec o n s t a n tc u r r e n ta n d v o l t a g es t a b i l i z i n gm o d ep a r a l l e l e dc u r r e n t - s h a r i n gv i aa l g o r i t h m w h a t sm o r e ，t h e c o n t r o l l e ra l s os u p p l i e sf r i e n d l yh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c es ot h a tt h eu s e rc o u l d o b s e r v et h ew o r k i n gs t a t ea n dt h eo u t p u tc u r r e n to fe v e r ym o d u l ea n dm e a s u r et h er e a l t i m ev o l t a g ea sw e l la sc h a n g et h es e t t i n gv a l u ea ta n ym o m e n tc o n v e n i e n t l y a tl a s t ，t h ep a p e ra n a l y s e st h em e a s u r e dr e a lt i m ed a t aa n dg e t st h ep e r f o r m a n c e o ft h ep a r a l l e l e ds y s t e m ，w h i c hp r o v e st h ee x c e l l e n ts t a b i l i t ya n dc u r r e n t s h a r i n g k e y w o r d s ：c u r r e n t - s h a r i n g ，n + xr e d u n d a n c y , c a nb u s ，p o w e rs u p p l yp a r a l l e l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题设计背景 第1 章绪论 早在7 0 年代，分布式电源系统d p s ( d i s t r i b u t i n gp o w e rs y s t e m ) 概念就已出 现，最初应用于计算机供电系统和通信电源中。在此之前，每个通信系统往往备 有两套完全一样的电源设备，虽然提高了可靠性，但成本增加了一倍。相对于传 统集中式供电系统，它是利用最新电源理论和技术做成相对较小的电源功率模块 来组合成积木式、智能化的大功率电源系统【lj 。分布式电源系统的引进，在提高 可靠性和规范性的同时，也降低了成本，引起了人们的关注。 图1 - 1 分布式电源结构图 随着分布式电源系统的发展，越来越多的电源系统采用模块并联技术。图1 1 所示为分布式电源结构图，多个开关电源模块灵活地并联组合成大功率分布式电 源体系是目前实现开关电源大功率化的主要途径。由于负载功率均分在各个并联 模块中，每个模块的容量减小了，简化了热设计，提高了系统可靠性。 模块电源具有独立性和灵活性，其容量可以任意扩展，更容易实现电源系统 的冗余。它完全打破了功率上的局限，可根据用户的需求、如同搭积木似地任意 组合模块，增大系统功率；使电源系统的体积、重量大为降低：且系统可方便地 采用冗余设计，从而提高了系统的可靠性，当某一模块发生故障，可以热更换此 模块，其它模块则平均分摊故障模块的负载，丝毫不影响系统的正常工作，从而 提高了系统的安全性。由于系统可由标准化的模块组合而成，因而电源产品的种 类也可减少，便于规范化，这样一方面可降低不同容量电源的设计成本和重复投 资，另一方面还可减少生产和维护费用。所以，模块化电源为实现大功率、高可 靠度的电源系统提供了可能。 由于模块化分布电源具有规范化、模块化设计，便于扩容，可靠性高，功率 武汉理工大学硕士学位论文 密度大，维修方便等特点，分布式电源系统也广泛应用在航天、大型计算机供电 系统、通讯电源系统、银行电源系统、仪器仪表和家用电器等许多应用领域中【2 】。 在模块化分布电源系统中，为了实现完全稳定可靠的冗余系统，模块化电源 的并联技术则显得尤为重要，一直以来是电源领域研究的热点问题。并联运行中 每个模块的外特性不一致，外特性好( 电压调整率小) 的模块，可能承担更多的电 流，甚至过载，从而使某些外特性差的模块运行于轻载或者空载的状态下，其结 果必然是分担电流多的模块可靠性大大降低。因而，在多模块并联运行系统中必 须引入有效的负载分配机构或均流控制策略。这种并联模块均流技术是实现模块 化大功率电源系统的重点，它可保证各模块间电应力和热应力的均匀、合理分配， 防止一个或多个模块工作于电流极限状态。因此，实现开关电源模块的并联运行 是进一步提高分布式电源系统运行可靠性和扩大供电容量而需要解决的技术问 题，也成了近年来电源领域人们研究的一个热门问题。 多模块并联运行的分布式电源系统代替集中式电源供电系统已经成为大量 高频开关直流电源系统发展的一个重要方向1 3 l 。和集中式供电系统相比，分式电 源系统有更多的优点：能提高系统的灵活性；可将模块的开关频率提高兆赫级， 从而提高了电源模块的功率密度，使电源系统的体积、重量下降；单个模块的功 率半导体器件的电流应力减少，提高了系统的可靠性；可方便的现n + x 冗余供 电；减少产品种类，便于标准化；并且分布式系统可非常方便实现并联方式的扩 展。当需要大功率输出时，可采用小功率电源模块、大规模控制集成电路做基本 部件，组成智能化大功率供电电源。这样就大大减轻了大功率元器件和装置的研 制压力。相关资料显示：开关电源并联均流技术在外的发展也有相当一段时间， 但仍存在许多不足之处。近几年来，许多科研位和院校也开始涉足这一领域。因 此，开关电源并联控制技术的研究具有社影响和社会效益。 基于此，开关电源并联技术的重要性日益增加。但是并联的丌关变换器块间 需要采用均流措施，用于保证模块间电应力和热应力的均匀分配，防止一台或多 台模块运行在电流极限值状态。因此采用可靠的均流措施是实现大功电源系统的 重要环节。 高频大功率丌关电源是电镀电源研究的新热点。开关电源由于功率变换器在 高频状态下进行能量转换，使其甩掉了传统电源中笨重的工频变压器，不仅提高 了生产效率，而且使电源体积和重量大大减轻。特别是7 0 年代以来，开关电源 被广泛应用于邮电、通讯、计算机等各种行业的电子设备上。而在金属表面处理 领域内，由于其要求电源大电流、低电压、大功率输出，使得丌关电源在其领域 内的发展一度受到制约，仅局限于小功率场合。近年来，随着半导体技术的飞速 发展、大功率i g b t 和功能完备的集成控制电路的不断出现，使得丌关电源在会 武汉理工大学硕士学位论文 属表面处理中的应用得以飞速发展。国外在这方面的研究比我们起步早，而且很 早以前就有开关型电镀电源的产品面世。像世界上著名的电镀电源制造商瑞典的 心a f t e l e k t r o n k ia b 早在9 3 年左右就己经推出了1 0 k w 以下的开关型电镀电源。 由于同晶闸管相控电源相比，同等功率的开关电源，其体积重量往往只有前者的 三分之一，而且精度、纹波系数大大高于前者。不仅如此，它在全部输出范围内 都能保证标定指标。在国外，开关电源在中小功率范围内，特别是精饰电镀、电 子电镀领域已经占据了绝对统治地位。如美国最大的电子接插件制造商a m p 公 司以及h p ，i b m 等都使用这种电源。电镀电源输出功率的日益增加，靠单个电 源输出己经越来越无法满足要求，为了增加电源模块的可靠性及输出功率，在电 镀电源中也开始采用模块化的方式。其优点在上节已经提到，然而模块化需要解 决的一个关键问题是负载电流的均分。即如果在并联系统中没有进行均流电路的 硬件设计或软件设计，则可能出现其中某个或某些电源模块承担比较大的负载电 流，运行在极限状态，而有些模块处于轻载运行，这将导致分担电流多的模块热 应力大，致使系统的可靠性降低。为其设计一个稳定，高精度的均流系统成为模 块化电镀电源成败的关键。 1 2 数字控制技术概述 数字信号处理是从2 0 世纪6 0 年代以来，随着信息科学和计算机学科的高速 发展而迅速发展起来的一门新兴学科。数字信号处理技术的实质就是将模拟信号 或我们现实生活中的一些信号转化为数字信号并对转换后的数字信号进行相应 的处理【4 1 。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着电子计算机、大规模集成电路、超大规模集成电 路以及微处理器技术的迅猛发展，数字信号处理也得到了飞速的发展，它的重要 性日益在各个领域的应用中表现出来。 数字信号处理与模拟信号处理相比具有如下优点： ( 1 ) 数字信号在处理过程中更加稳定 数字信号不像模拟信号那样容易受电阻、电容、运算放大器或是温度变化的 影响。一个数字系统也很少受器件使用时间的影响，所以数字系统要比模拟系统 稳定得多。这保证了应用系统的稳定性以及较长的使用寿命。 ( 2 ) 数字信号处理系统的可预见性 当一个数字信号处理系统设计完成后，我们可以通过仿真或是其它手段直接 看到结果，而且这与最终应用中出现的情况是一致的。 ( 3 ) 特殊功能 数字信号处理可以完成许多模拟信号处理无法实现的功能和不能处理的问 武汉理工人学硕士学位论文 题如无损压缩、纠错编码等。 ( 4 ) 适应性和可编程能力 数字信号处理具有极强的适应能力，可在多种领域内应用。同时，数字信号 处理的设计也相对简单，并且可以根据不同的应用对设计进行改进或重新设计。 ( 5 ) 系统构成更为简单 与模拟控制相比，完成同一任务，数字信号处理器的周边电路更为简单；此 外，随着数字信号处理器应用的不断发展，其控制器成本也在不断下降，因此， 基于数字控制的电源系统应用的性价比也在不断提高。 由于数字信号处理具有以上优点，数字信号处理在现实生活中得到了广泛的 应用。目前，数字信号处理技术已广泛应用于数字通信、语音合成、图像处理、 多媒体技术、高清晰度电视、数字音响、以及机器人等各个领域1 5 j 。随着电力电 子技术的高速发展，开关电源得到了广泛应用，而日新月异的高科技产品也对开 关电源的体积、动态性能等方面提出了更高的要求。开关电源的模拟控制技术发 展了很多年，技术比较成熟，但其无法克服固有的缺点：控制电路复杂，元器件 比较多，不利于小型化的发展；控制电路一旦成型，很难修改；调试不方便，控 制不灵活。这些都为数字控制技术的发展提供了契机。 本文将以数字信号来实现均流并联系统。单电源模块外接一个控制器，控制 器以单片机为主控芯片，对本电源模块实现电流，电压的精确控制。控制器之间 通过c a n 通信传递信息，实现模块之间的任意信息的传送，使模块的连接更加 灵活，使系统更加稳定可靠。实际应用的电源多种多样，本文将以电镀电源的并 联为例来介绍电源的数字式并联方案。单个电镀电源输出直流电压1 2 v 5 0 0 a ， 可作为恒流源也可作为稳压源，并联后的系统可输出几千安培的电流。 1 3 本文所要做的工作 本文将以电镀电源的并联为例来介绍电源的数字式并联方案，本课题来源于 工程实际产品丌发课题的大功率、高性能a c d c 丌关电镀脉冲电源。企业原来 的电镀脉冲电源设计不能满足并机要求。改进后主要技术指标是： ( 1 ) 输入电压：2 2 0 v 三相交流电； ( 2 ) 输出电压：d c0 1 2 v ( 脉冲电压输出) ； ( 3 ) 输出电流：5 0 0 a * n 台( 单模块5 0 0 a ) ； ( 4 ) 均流：多台并联使用时，每台输出电流要求相同，不均衡度小于3 。 本文各个章的主要内容有： 第一章分析了课题设计的背景，以及课题研究的意义。 第二章分析传统的并联方案，对其进行比较，在此基础上给出本文所使用的 武汉理1 = 大学硕十学位论文 方案，对此方案进行详细的分析。 第三章原有主回路的研究与分析，并且设计电镀电源的控制电路。 第四章研究并选择合适的均流控制电路，给出均流控制的硬件电路和软件流 程。 第五章给出并联系统的测试数据，且对其进行分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章均流系统方案选择 2 1 常用均流方案 电源并联时若输出的电压不完全相同，会出现意想不到的问题，比如要并联 出一个稳压源来，输出电压较高的电源模块会输出很大的电流而电压较低的电源 模块就难输出电流，而交流电源甚至会出现电流倒灌的现象，为达到并联的目的， 就要实现个电源模块的输出电流均衡。 本文将以电镀电源的并联为例来介绍电源的数字式并联方案。单个电镀电源 输出直流电压1 2 v 5 0 0 a ，可作为恒流源也可作为稳压源。电源并联最大的问题 就是电流不均衡，电压源的并联实现均流的方法很多，目前主要有以下几种【6 】【7 1 。 ( 1 ) 输出阻抗法 通过调节开关电源的外特性倾斜度( 即调节输出阻抗) 以达到并联模块接近 均流的目的。由图2 1 为两台并联的开关电源外特性。可见，当负载电流为 i t = 厶。+ i o ，时，负载电压为v o ，按两个模块的外特性倾斜率分配负载电流，斜 率不相等，电流分配也不等；当负载电流增大到，：= r o + 厶：时，负载电压为 j 。 显见，模块1 外特性斜率小，分配电流的增长比外特性斜率大的模块2 增长大。 如果能设法将模块l 的外特性斜率调整得接近模块2 ，则可使这两个模块的电流 分配均匀。这种方法是最简单的实现均流的方法，在小电流时电流的分配特性较 差，大电流时较好。缺点是：电压调整率下降，为了均流每个模块必须个别调整； 对于不同额定功率的模块难以实现均流。 v b v b v o 1 0 2l o l1 0 2 + v 一 + v 一 ，。，。f 图2 i 两台并联的开关电源外特性 + v o r l l ( 2 ) 主从法 这种方法人为指定一个主模块，其余均为从模块。主模块按电压控制规律工 6 武汉理工大学硕士学位论文 作，从模块按电流控制规律工作。各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形 式，主模块的电压误差输入到各从模块的跟随器，跟随器的输出即是从模块的电 流基准，即各从模块的电流都按同一基准值调制，与主模块电流一致，从而实现 了均流。主机为稳压源，从机为稳流源，从机由主机提供控制信号进行工作羽。 图2 2 所示为主从均流法示意图。 输出反 载 图2 2 主从均流法 这种方式特点是：主从模块有通信联系，外围接口较复杂；电源的可靠性主 要由主机的可靠性决定，如果主机失效，整个系统将关断，无法正常工作，不适 用于冗余并联系统。为了解决这个问题，出现了一种主机可转换的主从并联法， 利用预置转换脉冲，在模块失效检测机制的控制下可以随机或按照一定规律选择 新的主机，一旦原先的主机失效，进行失效检测后，将另一个单元变成主机。其 特点和主从法相似，但提高了可靠性，可用于冗余并联系统。本设计中我们利用 了c a n 总线自动对通信优先权判断的特点，地址较低的模块优先权较高，因此 系统正常工作的模块中，让地址最低的自动成为主机，获得系统的主控权。 ( 3 ) 平均电流法 平均电流法是一种通过均流总线和各电源间的调节放大器，随时将各单元自 身电流与均流总线电流比较并获得相应修j 下量，实现各单元电流平均分配的方 法。图2 3 为平均电流法示意图，图中电压放大器输入为”和模块输出反馈电 压y ，圪是基准电压e 和均流控制电压圪的综合，它与y ，进行比较放大后，产 生圪( 电压误差) 控制p w m 及驱动器。为电流放大器的输出信号，和模块的 负载电流成比例。圪为母线电压。杉与圪之差代表均流误差，通过调整放大器( 均 流控制器) 输出一个调整用的电压形。( 圪可能大于，也可能小于杉) 。当形= 圪时， 电阻r 上的电压为零，矿= 0 ，表明这时已实现了均流。当r 上有电压出现，说 明模块徊j 电流分配不均匀，v i 不等于k ，这时基准电压将按下式修f ： 武汉理工大学硕士学位论文 = + 屹，相当于通过调整放大器改变砟，以达到均流的目的。 母 簖 苗 串 审 潞 图2 - 3 平均电流法 ( 4 ) 最大电流自动均流法 这是一种自动设定主模块和从模块的方法【9 】【1 0 1 ，即在n 个并联的模块中，输 出电流最大的模块，将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块，它们的电压 误差依次被整定，以校正负载电流分配的不平衡，又称为“自动主从控制法”。由 于在n 个并联的模块中，事先没有人为设定哪个模块为主模块，而是按电流大小 排序，电流大的模块，自动成为主模块，所以也有人称这个方法为“民主均流法”。 图2 4 所示最大电流自动均流法与图2 3 所示的平均电流自动均流法的差别，仅 在于将连接在电流放大器和均流总线之间的电阻用二极管( 令a 点接二极管阳极， b 点接阴极) 代替。这时均流母线上的电压圪反映的是并联各模块的中巧的最大 值。由于二极管的单向性，只有对电流最大的模块，二极管才导通，a 点才能通 过它与均流母线相连。假设在正常情况下，各模块分配的电流是均衡的。如果某 个模块电流突然增大，成为n 个模块中电流最大的一个，于是”上升，该模块自 动成为主模块，其它各模块为从模块。这时虼= _ 。积，而各模块的_ 与( 即k 。甜 比较，通过调整放大器调整基准电压，自动实现均流。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 方案选择 2 2 1 方案比较 母 蒜 苗 串 翱 落 v b 图2 - 4 最大电流法自动均流控制原理图 输出阻抗法本质上属于开环控制，在小电流时电流分配特性差，重载时较好， 是最简单的均流方法。其缺点是电压调整率下降；为达到均流每个模块必须个别 调整；对于不同额定功率的并联模块，难以实现均流。有许多因素在影响电流分 配的不均匀性，如元器件的容差、老化和物理条件的改变等。因此，在利用输出 阻抗法实现近似均流以后，电源系统运行了一段时间，若发生上述变化，则电流 分配又不均匀。由于利用输出阻抗法均流的系统电压调整率差，因此这一方法不 可能用在电压调整率要求很高的电源系统中。 主从控制法均流的精度很高，但存在的缺点是从模块之间必须有通讯联系， 这使系统变得复杂，一旦主控电源出现故障，整个系统将完全失控，不适用于冗 余并联系统。此外，由于电压环的带宽大，容易受外界噪声干扰，系统在统一的 误差电压控制下，任何非负载电流引起的误差电压的变化，都会导致各并联电源 电流的再分配，从而影响均流的实际精度。通常希望主模块电源电压取样反馈回 路的带宽不宜太宽，主从电源间的连接应尽量短。 平均电流法可以精确地实现均流，但具体应用时，会出现一些特殊问题。例 如，当均流母线发生短路，接在母线上的任一个模块不能工作时，母线电压下降， 将促使各模块电压下调，甚至到达其下限，结果造成故障。而当某一模块的电流 上升到其极限值时，该模块的耳大幅度增大，也会使它的输出电压自动调节到下 限。 最大电流自动均流法中的均流母线上体现输出电流最大的d c d c 变换器模 块的电流信号( 转化为电压信号) ，该模块称为主模块，其它电源模块( 从模块) 根 据这个电流信号来调整自身的输出电流，直到某一个从模块的输出电流超过主模 9 武汉理工大学硕士学位论文 块的输出电流，而成为新的主模块。采用这种方法可以实现较好的冗余，不会因 为某一模块的故障而影响整个系统的运行，而且均流母线的抗干扰性能较好。但 是由于主从模块总处于不断的切换中，会导致各个模块的输出电流产生一个低频 振荡。且各模块都已最大电流为基准，系统的总电流会随着模块的调节而不断增 大【1 。 以上每一种均流方案都会有自己的缺陷：主从法以主机作为电压控制，并联 输出的电压稳定，且均流效果好，但主机不可以切换，若主机出问题会造成系统 崩溃。平均电流法的母线不能出现短路现象，这就不可以实现恒流效果。最大电 流自动均流法的母线电流会不断升高，难以实现稳压效果。要实现稳压恒流的 均流系统就要解决这些问题，本文采用c a n 总线作为通信媒体，撇除均流母线， 且采用主从法的主机稳压，从机均流的模式，从机通过c a n 总线发送本机的电 流值到主机，主机计算出总电流，并告知每个从机模块，从而达到均流效果。在 从机调整过程中，主机监视变化，通过调节使电压保持稳定，达到稳压效果，弥 补了最大电流自动均流的不足。采用这种数字式通信的方式，可以实现主机自动 切换，若主机退出，则有新的模块被推为主机，弥补了传统主从式的缺点。要实 现恒流效果，主机切换的恒流模式，和从机一样保持输出电流的平均值即可，在 短路情况下仍可以正常工作，避免了平均电流法的不足之处。 2 2 2 方案描述 直流电源可用着恒流源也可用着稳压源，本文将用电源模块的均流并联来实 现恒流源和稳压源。 稳压模式的系统框结构见图2 5 ，系统有一个主机和n 个从机并联而成，主 机工作在稳压的状态，从机工作在恒流的状态，整体上实现电压的恒定和电流的 均衡。如图，系统的供电为2 2 0 v 三相交流电【1 2 】f 1 3 】，经整流滤波后，变换器降 压，整流，滤波后直流输出。变换器与脉宽调制来控制，脉宽调制通过p w m 波 形的脉宽决定变化器输出的大小。主机通过电压调节和电压微调来控制脉宽调 制。从机通过电流调节和电流微调来控制脉宽调制【l4 1 。主机电压调节的设定值 来自用户的人机界面设定，电压调节的反馈从输出端的电压采样得到，电压调节 器通过改变脉宽调制的输出是输出电压与设定电压保持一致。系统外加了电压为 调节，电压微调节调节范围较之电压调节小，精度较高。从机电流调节的设定值 是实际输出电流的平均值，电流调节的反馈值是本机的实际电流输出，电流调节 部分通过控制脉宽调制来使反馈值与设定值一致。为提高输出的精度，从机采用 了电流微调节。这种结构，从机的调节保证了各个模块的电流相同，由主机保持 了电压恒定。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 稳压模式的系统框图 图2 - 6 为恒流模式的系统框图，系统有1 个主机和n 个从机并联而成。主机 与从机的调节方式相同，都是电流调节。模块的电流调节部分的设定值是用户的 设定值模块数，电流调节的反馈来自本机的电流反馈。通过电流调节和电流为 调节，各模块的输出电流均为总设定值模块数，且系统输出的总电流即为总设 定值。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 恒流模式的系统框图 比较以上两种模式的工作原理，主机的工作方式大不相同。在稳压模式下， 主机有一个电压环，主机通过电压环来影响输出电流的大小。恒流模式下主机与 从机工作方式完全相同，以总设定值模块数作为输出标准。而两种模式下的从 机只有设定值不同。这要求模块可以在电压环和电流环之间进行切换，且可以改 变电流调节的设定值，为达到这种灵活应用的要求，单个模块同时进行了电压和 电流的采样，且将设定值作为接口引出来，便于应用。图2 7 所示为单模块的结 构示意图，调节器的反馈端通过模拟丌关，模拟丌关的数字控制端c c c v 可以 选定调节器的反馈端是接电流反馈还是接电压反馈【l5 1 。设定值要与c c c v 对 应。脉宽调制端增加了侵能信号s 丁，用于控制电源的输出与关闭，若s t 为0 ， 则电源没有输出。 武汉理工人学硕士学位论文 c c ，c v 图2 7 单模块结构图 单电源模块实现了功率驱动和电流或电压的闭环，为实现图2 5 和图2 - 6 的 系统功能，在每个单电源模块的外部配备了一个均流控制器。单电源模块的“设 定”，c c c v ，s t ，电压反馈，电流反馈这五个信号都连接到均流控制器上。图 2 8 为简易的系统连接示意图，每一个独立的单电源模块( 功率输出模块) 都有一 个控制器，控制器可以检测，控制与之相连的功率模块输出端的电流大小，电压 大小。各控制器之间通过c a n 总线连接通信。功率输出模块输出端并联共同驱 动负载。 图2 8 系统简化图 功率输出模块内部为开关电源，可设置成恒流输出，也可设置为稳压输出， 由数字量输入通道c c c v 的输入电平决定。在恒流模式下，电流输出大小有模 拟量输入通道”决定。在恒压模式下，电压输出大小也有模拟量输入通道杉决 定。电流，电压的反馈值有模拟量输出通道c f ，v f 输出。 控制器以p i c l 8 f 6 6 j 1 0 作为主控芯片，包含有c a n 通信模块，数字量输出 通道s t ( 启动、停止) ，c c c v ( 恒流稳压模式选择) ，模拟量输入通道c f ，v f ， 输出通道s e t ，人机交互界面。 在系统通电后，系统会自动推选出一台控制器作为主机，用户可通过主机将 系统设置成恒流模式或者稳压模式，且可以设定输出电流或输出电压。各模块通 过主机设定均流输出。 武汉理工大学硕士学位论文 控制器为系统并联均流控制的核心部分，它通过通信得出各模块需要输出的 电流，且调节功率输出模块。控制器的内部结构如图2 - 9 所示。 p i c i8 f 6 6 i1 0 1 2 伽a c ll1 2 位a 光电 一s t 隔离r d g a n 光屯卜一c u c v 隅高r d g a n 电压放大ii 放笑毳i i 放鬈路 a g n d s e i a g n dc fa g n dv f 图2 - 9 控制器内部结构图 1 2 位d a c 输出经电压放大电路后输出给s e t ，s e t 变化范围为o v - 5 v ，用 以调节功率模块的输出电流和输出电压。电流采样值c f 和电压采样值v f 经仪 表放大后进入a d c 采样。c a n 通信部分采用m c p 2 5 1 5 作为c a n 控制器，通 过s p i 方式与c p u 通信。 在图2 - 6 中，总电流的采样并不易在电路上实现，要在总负载上采集电流， 对于走线来说是很困难的。为避开这个困难，主机通过c a n 通信才读取各模块 的电流，再计算出总电流，发送给从机。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章单模块电源的研究 电镀电源是低压大电流输出的开关电源的比较典型的一种。本章将介绍本设 计中电镀电源的拓扑结构，电路的元件选择，i g b t 驱动以及电压外环控制电路 的设计。最后给出与外部控制器的接口电路，包括电压电流设定口线，电压反 馈，电流反馈口线等。 3 1 电镀电源主电路 3 1 1 电源主电路拓扑结构 相对于升压型变换器来说，降压型变换器更加适用于低压大电流变换器。其 变压器原边的基本拓扑主要可以用正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式等 五种【”】1 1 6 】。但是，其中的反激式变换器因为它的输出纹波较大，变压器漏感引 起较大的电压尖峰，功率不大( 1 5 w 以下) ，变换器效率不高，而且只能在电压和 负载调整率要求不高的场合使用，显然不适合低压大电流的要求。另外，全桥式 结构主功率开关管所承受的电压虽然要比半桥式结构的小一倍。但是因为是在低 压大电流输出的情况下，并且输入电压也不高，所以可以说半桥式变换器和全桥 式所表现的性能是差不多的，而且半桥式与全桥式结构的变压器原、副边电压波 形是接近的。而半桥式更加节省了昂贵的功率m o s f t e 或i g b t l l 7j 。所以以半 桥式变换器作为桥式变换器的代表1 3 5 1 。 实际当中，开关电源往往都采用带变压器隔离的变换器。而在电镀电源领域 里，从安全、实用、控制的角度出发，都需要采用带变压器的开关变换器。下面 将介绍开关电源中的半桥变换器拓扑结构。 半桥变换器【j8 】的开关管应力只是输入电压，而且没有磁偏的问题。半桥变 换器主电路如图3 1 所示 图3 1 半桥变换器的土电路 武汉理：l 人学硕十学位论文 该电路的工作原理是：当开关管v 1 导通时，电流通过v 1 ，t 和c 2 流回电 源负极，变压器原边感应出上负下正的电压，此电压大小为电源电压的一半。由 于同名端的关系，副边与此同时感应出上负下正的电压。d 2 导通，d 1 ，截止， 电流流经副边，d 2 ，l ，负载r 。当v i ，v 2 都关断时，副边两个绕组电压变为 零，变压器激磁电流不变，但漏感上的能量通过开关管的体二极管返回到电容上； 同时l 上存储的能量向负载放电。当副边线圈电压降到零时，d 1 ，d 2 都起着续 流作用，两者分得的电流近似相等。在d 1 ，d 2 都导通时，副边电压被钳位到零。 当v 2 导通时，电路工作与v l 导通时类似，不再详述。半桥变换器工作波形如 图3 2 所示。 哪 0 1 q 2 y w l ， ， m l r t u 铲 ”7 。- 二7 ， 图3 - 27 卜桥变换器一l ：作波形 3 1 2 单个半桥电路功率模块的设计 电镀电源由多个6 k w ( 1 2 v 5 0 0 a 输出) 的功率模块并联而成。它们包括：输 入整流桥设计，i g b t 的选择，功率变压器的设计，输出二极管及吸收网络的设 计以及输出滤波器的设计。图3 3 所示为主电路结构图。市电经过三相整流桥整 流，再经电容滤波，然后将比较平滑的直流经过d c d c 半桥变换器后【3 6 l ，得到 所要求的2 0 k h z 的脉冲波输出。 i 丰f | 交流电 2 2 0 v 图3 - 3 主l l l 路结构图 ( 1 ) 输入三相整流管的选择 武汉理工大学硕士学位论文 图3 4 所示为前端三相输入整流桥、l c 滤波器f 嘲。考虑理想情况，l 无穷 大，u d 为一平滑直流，图3 - 5 为该理想情况下的波形图。 三相交流电 2 2 0 v 图3 4 三相整流电路及l c 滤波电路 l d l d | 粼揪吣 委曼n 曼al ；曼6 孔摹 川臻ji jj 川i 川蛾l tai i ti i i 笞i ￥铡笞￥；j i f i 剐正i 如剐是 l ；! 驴j v ；? v 影v 够影! i； r i p i - 忡j !；、? !、 ，v? ； | ? ! l ? ；i l j | t u uw u i l il r nf 图3 - 5 理想情况下的波形 通过对- - 4 目整流电路工作原理【2 0 】的分析可知，整流输出电压u 。，的波形在一 周期内脉动6 次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个 脉波( u l j1 6 周期) 进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点。 于是可得当整流输出电压连续时( 即带阻感负载时) 的平均值为： 12 一 = 二i r 3 6 u 2 s i n t d t = 2 3 4 u 2 ( 3 1 ) 1 3 这罩u ，= 2 2 0 v ，则u ，= 5 1 4 v 。 武汉理工大学硕士学位论文 设效率为0 8 ，已知输出功率为6 k w ，则可以计算出输入电流 i a2 面io=146彳(3-2) 而整流桥所承受的最大反压应为 = 4 6 u 2 = 5 3 9 v ( 3 3 ) 因此选择r i 公司的3 6 m t s o ，额定电流为3 5 a ，耐压值为8 0 0 v 。 ( 2 ) 高频开关管的选择 绝缘栅双极型晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 是一种由双极晶 体管与m o s f t e 组合的器件，它既具有m o s f e t 的栅极电压控制快速开关特性。 又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点2 1 1 ，近年来在各种电力 变换装置中得到广泛应用。但在开关电源领域，m o s f t e 和i g b t 作为有源开关 两分天下，一个占据中低功率而另一个则占据大功率领域，而他们的交界点则是 在5 0 0 v 左右的中功率领域中的应用。而由上式我们看到在本设计中开关管承受 应力的理论值就有5 3 9 v ，设计值应该在7 0 0 v - 8 0 0 v 左右，而且输入电流也有i o a 之多，毫无疑问i g b t 是首选。根据i g b t 的耐压值和工作电流值，选择r i 的 g a 7 5 t s l o o u 。 ( 3 ) 输出整流管的选择 输出整流二极管d 7 ，d 8 最主要的一个工作特征就是大电流流过，每个管子 要在工作时承受5 0 0 a 2 = 2 5 0 a 的平均电流值。而且由于半桥电路的工作特性， 每个整流二极管f 2 2 】都是自然关断，因此不存在反向恢复的问题，所以只需要考 虑选择在所需工作电压下导通压降最小的二极管【3 8 】。如下图所示为d 8 导通时 d 7 关断时的情况，计算整流二极管d 7 的反向承受的最大电压： u d 7 = 万u 1 2 - 等x 2 - 3 8 6 ( y ) ( 3 - 4 ) 1 4 ：l ：l u 葛 图3 - 6d 7 耐压计算示意图 由于电流大，因此选择r i 的双管二极管u f b 2 0 0 0 f a z o 3 9 1 ，5 个共1 0 个二 极管并联并且必须放在同一个散热片上。因为理论上二极管存在负温度系数2 2 1 不能并联，但是如果是放在同一个散热片上则是通过温度来平衡二极管上的电 流，实验证明是可行和可靠的。 ( 4 ) i g b t 驱动的设计 武汉理工大学硕士学位论文 i g b t 的门极驱动电路影响i g b t 的通态压降、开关时间、开关损耗、承受 短路电流能力及d u d t 等参数决定了i g b t 的静态与动态特性因此，在使用i g b t 时，重要的工作就是要设计好驱动与保护电路【2 3 j 。i g b t 驱动电路设计要求主要 有： ( 1 ) 动态驱动能力强肩皂为i g b t 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则 i g b t 会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。 ( 2 ) 能向i g b t 提供适当的正向和反向栅压。一般取+ 1 5 v 左