（电力电子与电力传动专业论文）基于psm高压开关电源控制策略的研究.pdf

t h es t u d yo fc o n t r o ls t r a t e g yo fh i g h v o l t a g es w i t c h i n gp o w e r s u p p l yb a s e do i lp s mt e c h n o l o g y a b s t r a e t r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m d a to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ya n dp o w e r e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , t h en e e df o rh i g h - v o l t a g ea n dh i g h - p o w e rs u p p l yb e c o m e m o r e ，e s p e c i a l l yi ns o m es c i e n t i f i ce x p e r i m e n t s t h e s ee x p e r i m e n t sa s u a n yh a v e s o i ms p e c i a ld e m a n d ss u c ha sh i # 一v o l t a g e h i g h - p o w e re t e t h ep u l s es t e pm o d u l a t i o nf p s m ) t e c h n o l o g yi st h ec o i n b i n a t i 呻o ft h ep u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) a n dt h es t e pm o d u l a t i o n ( s m ) a n di ti sa ni m p o r t a n t t e c h n o l o g yw h i c hi s u s e di nh i 曲- v o l t a g e , h i g h p o w e rs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y s y s t e m c o n d i t i o n a lp o w e rs u p p l ys y s t e mb a s e do np s mt e c h n o l o g yi sm a d eu po f s e v e r a lp o w e ru n i t sa n do i l eo ft h e s eu n i t sw o r k sa tp w mw h i l eo t h e r sw o r k sa n o n - o f fs t a t e t h i ss t r a t e g yi se a s yt 0w o r kb u tt h eu n i tw o r k i n ga tp w ms t a t eh a s m o r es w i t c h i n gl o s sa n db r i n g sd i f f i c u l t yt ot h ed e s i g no f s y s t e m i f w ed e s i g ne v e r y u n i ta tp w ms t a t e ，i ti sag r e a tw a s t ea n di fw ed e s i g nt h eu n i t si nt w ow a y s i th a s d i f f i c u l t yi nu n i f i c a t i o no f s t a n d a r d s t os o l v et h ep r o b l e m s ，w eu s ean e wc o n t r o ls t r a t e g y i nt h i ss t r a t e g yt h eu n i t s w o r ka tp w ms t a t ei nc y c l e s ot h eh e a td i s t r i b u t e st oe v e r yu n i t w ec a l ld e s i g n e v e r yu n i ta tt h es a m es i z e m a t l a bi sa l s ou s e dt 0i m p r o v et h ec o n t r o ls t r a t e g y a t l a s t ，t h ea d v a n t a g eo f t h i sn e ws t r a t e g yi sv e r i f i e do i la l le x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e k e yw o r d s ：p u l s c - s t e p - m o d u l a t i a n ；p u l s e - w i d t h - m o d u l a t i o n ；s t e p - m o d u l a t i o n ； h i 曲- v o l t a g ep o w e rs u p p l y ；c i r c u l a t i v ec o n t r o l 图i - 1 图1 2 图i - 3 图l - 4 圈i - 5 图l - 6 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 - 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 一1 4 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 7 图4 8 图4 - 9 插图清单 传统高压直流电源组成框图。2 电力电子技术产生直流高压原理框图2 1 2 0 k v 7 0 a 的t o k a m a k - n b l 高压开关电源3 e c r h 高压电源电路拓扑之一4 e c r h 高压电源电路拓扑之二4 基于p s m 技术的高压开关电源主电路拓扑5 基于s m 技术的高压开关电源主电路拓扑及其输出电压波形l o 开关电源模块单元1 1 基于s m p s m 技术的高压开关电源主电路拓扑l l 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲1 2 基于p s m 技术的开关电源输出电压波形1 3 ( a ) p w m 变换器输出电压波形( b ) p s m 变换器输出电压波形1 4 p s m 高压电源系统传统控制原理框图1 7 电源循环p w m 控制原理框图1 8 电源系统循环控制单元的电路结构框图1 9 典型b u c k 电路 2 0 基于p s m 高压电源系统反馈网络2 0 基于p w m 技术高压开关电源系统动态结构图2 l 电源模块循环驱动波形2 2 系统控制方法仿真模型2 3 p w m 波形发生模块2 4 模块工作状态判断单元2 4 s i m u l i n k 库中自带的离散p 1 调节器m a t l a b 模型2 6 自建的离散p l 调节器的m a t l a b 模型2 7 系统阶跃信号输入下的输出波形 。2 8 系统斜坡信号输入下的输出波形2 8 实验电路图3 0 2 4 0 7 a 最小系统结构图3 7 晶振电路图3 7 d s p 复位电路图。3 8 d s p 外围存储器扩展3 8 a g 接口3 9 t l p 2 5 0 的内部结构和功能引脚图_ 4 0 i g b t 驱动屯路4 l 电压隔离反馈电路4 2 图4 1 0 图4 - 1 l 图4 - 1 2 图4 - 1 3 图4 - 1 4 图4 1 5 主程序流程图 中断流程图 p i 调节子程序流程图 循环子程序流程图 启动时的输出电压和电流波形。 4 4 4 4 4 5 4 5 ，4 6 循环控制时其中4 路控制信号4 6 表格清单 表4 it l p 2 5 0 工作时的真值表。4 l 表5 1 输出电压对应电源模块开通表4 8 独创性声明 本人声明所皇交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研，宄成果。 据我所知，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 金日巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书丽使 用过盼材辩。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 并表示谢意。 学位论文作者签名：杀争签字日期：矿年f 月j 墨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完垒了解金目墨王些太茔有关保留、使用学位论文的规定。有权保冒 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被矗阅和借阅。本人授权金 星工些盍堂可以将学他论文的伞部或部分内璃c 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 f 保密的学位论文在解密后适用本授权甘) 学位沧文作者签名；素争铁 签字日期：口7 年i 月西日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期 电话 邮编 ，扒蜘 夕阳 u ，厂 却芝、 致谢 在本人攻读硕士学位期问，自始至终得到了导师杜少武教授的悉心指导和 无微不至的关怀照顾，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、论文成 稿，都倾注了杜老师的大量心血。在学术上，杜老师渊博的知识、严谨的治学 态度、求实的科学精神和精益求精的工作作风给我很大的影响。杜老师在科研 学术上有着自己独到的见解和领悟力，开阔、敏捷的思维，不辞辛劳的谆谆教 导，以及提出的许多建设性意见使我成长很快；生活中，杜老师豁达的人生态 度，平易近人、诲人不倦的良师风范展示了为人的道德风尚，使我受益非浅。 在此谨向思师杜少武教授致以最诚挚的敬意和衷心的感谢! 在学习、科研和论文工作中，还得到了我的师兄杨玉辉、蒋劲松等帮助， 同时还要感谢我的j ! l l i 些同学：张海云、丁莉、张炜、韩冰、陈中，陆源，他们 给我很大的关心和启发。 感谢我的家人，他们对我的关心和鼓励是对我最大的支持，我的任何成绩 都应该归功于他们对我的教育和支持。 感谢所有的同学给予的帮助。 作者：郝欣 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 电力电子技术( p o w e r e l e c t r o n i c s ) 是电工技术的分支之一。应用电力电子 器件和以计算机为代表的控制技术，对电能特别是大的电功率进行处理和变换， 是电力电子技术的主要内容。 电力电子技术的应用已经深入到工业生产和社会生活的各方面，典型的用 途类别如：电化学，直流牵引，直流传动，交流传动，电机励磁。电镀等，成 为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技术，可以有效的节约能源，并成 为新能源( 燃料电池太阳能和风力发电等) 与电网的中问接口。 随着科学技术的进步和现代化社会生产的发展，各种大型用电设备，如高 功率广播发射机、大型通讯基站、高能物理研究、雷达电源等，对高电压、大 功率、高可靠性的开关电源提出了迫切的要求。因此。目前国内外有很多的科 研人员致力于高压开关电源的研究，也取得了大量的科研成果。 1 1 高压开关电源的发展概况l ”4 o 2 0 世纪7 0 年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市电整流 后逆变为3 k h z 左右的中频，然后升压。美国g e 公司生产的a m x 2 移动式x 线机把蓄电池供给的直流电逆变成5 0 0 k h z 的中频方波送入高压发生器，从而减 小体积和重量。进入8 0 年代，高压开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采 用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到2 0 k h z 以上。并将干式 变压器技术成功的应崩于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变换器系 统的体积进一步减小。近十年来，随着电力电子技术的进步和开关器件的发展， 高压开关电源技术不断发展。p h i l i p s 公司3 0 k w 以下移动式x 光机的x 线发生 装置频率达3 0 k h z 以上，德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达4 0 k h z 。9 8 年 以后通用电气公司和瓦肇安公司都研制成功了1 0 0 k h z 的x 线发牛器。高压开 关频率不断提高的同时，其功率也在不断地提高，1 0 3 0 k w 的大功率高压开关 电源在产品上已很成熟，更高功率的高压开关电源也有很快的发展，如在俄罗 斯用于雷达发射机的1 4 0 k w 高压开关电源，美国e e v 公司用于脉冲功率技术 中的3 0 0 k w 大功率恒流充电电源等等。电力电子器件和控制技术的发展使得更 高频称为可能，出现了各种软开关电源。微电子集成技术的发展为电力电子控 制技术提供了新的思路，由最初的分立元件发展剑集成电路，大规模集成电路 再到后来微处理器的出现，都为高频电源的控制技术带来了极大的便利。近年 来，t i ，m o t o r o l a ，a d i 等公司相继推出了适用于开关屯源使用的d s p 芯 片，功能越来越完善，性能也越来越优越。 我国从8 0 年代开始对大功率高压开关电源技术进行研究，列入了国家重点 攻关项目，并取得了一定的成绩。如9 0 年代中科院流体物理研究所为1 m j 电 容器储能系统研制成功的输出电压2 5 k v ，输出电流2 a 的恒流充电电源；西北 核技术研究所研制成功的5 0 k v 4 a 高压恒流充电电源；国家“八五”攻关项目， 中科院等离子体物理研究所研制成功2 0 0 k v 高压肓流开关电源，输出功率 2 0 k w 。目前，国内研制的静电除尘高压直流电源，在电阻负载条件下，输出直流 电压达到5 5 k v , 电流达到1 5 n a i 作频率为2 5 6 k h z 。虽然我国的高压开关电源 的研究取得了一定的进步和成绩，但同国外同行比起来，仍然有不小的差距， 需要做出更多的努力。 从以上高压开关电源的发展历程看，其主要的发展趋势是： ( 1 ) 电源的电压等级不断提高。电压等级从最初的几千伏到几十千伏，再 发展到当前几百千伏，基本满足了科研和经济发展的需要； ( 2 ) 电源丰开关管的工作频率不断提高。主开关管的频率由几k h z 达到了 数十上百k h z ，减小了电源的体积和重量； ( 3 ) 电源的功率不断增加。几十千瓦的高压电源技术已经比较成熟，目前 1 0 0 k w 以上的大功率开关电源技术仍有待近一步发展， 高压直流电源广泛的应用领域，电力系统中广泛的应用丁高压电气设备的 直流耐压和泄漏试验，如电力系统避雷器，电力电缆，变压器绕组及其发电机 现场试验；工业中用于环保的静电除尘，污水处理，激光器等；医学方面用于 x 光机，c t 等大型设备；科研上用于高能物理，等离子体物理，军事上雷达发 射器，脉冲点火技术等。 传统的高压直流电源通常是通过将工频交流电源升压、整流、滤波而获得 直流高压的。其组成框崮如图l - l 所示。 图i - 1 传统高压直流屯源组成框图 图中巧为输入交流电压，圪为输出直流高压。升压部分由升压变压器构成， 由于是1 一频变压器。因此体积、重量较大，效率较低。 随着电力电子技术的发展，各种新材料、新器件不断产生，各种新理论和 新技术小断的提出和完善，电力电子技术开始广泛的应用于高压直流电源中。 利用电力屯子技术产生比工频高几百倍频率的方波或者正弦波，可以大大减小 高压直流电源的重量和体积，提高电源的效率，这是高压直流电源的重要的发 展趋势。 图1 - 2 电力电子技术产生直流高压原理框图 应用电力电子技术产生直流高压的方框图如图1 - 6 所示，交流电源经电两 滤波器、整流整滤波以后变为低压直流，进入逆变单元变成高频方波电压， 然后再经过串级直流单元将电压升高变成直流高压电源。反馈电路将输出电压 信号送入控制及保护电路，然后由控制电路对主电路单元进行触发控制。 目前高压电源直流电源的应用领域非常广泛，在某些大型的科学实验装置 中，如加速电源、t o k a m a k - n b i 和t o k a m a k - e c r h 系统中，对电源输出电压的 要求一觳是在几百千伏，输出电流的要求一般是在几十安培，显然一般的电路 拓扑是很难满足要求的。为此，各国的科研人员相应研制了多种应用于大型科 学实验装置中的高压电源。 图l o 为应用于韩国大田原子能研究中心的1 2 0 k v 7 0 a 的t o k a m a k - n b i 高 压开关电源，它由高频开关电路、高频变压器、双模式驱动电路、功率开关管 等组成，在输出端采用了功率开关器件的串联输出形式。固中，高频开关电路 采用了类似全桥的电路，产生正负方波电压信号，通过高频变压器和双模式驱 动电路，控制功率开关管的开通和关断。采用此种驱动方式，能够有效解决功 率开关管串联模式中存在的均压以及开通关断信号延迟的问题，使系统能够稳 定可靠的运行。 e c r h 高压屯源系统是e c r h 系统中的关键部件之一，也是e c r f i 系统的 难点所在。各国的许多电源专家一直在致力于e c r h 高压电源的研究提出了 许多电路拓扑和j 率制方案，其中部分已用于e c r h 系统。 图1 - 31 2 0 k v 7 0 a 的t o k a m a k n b i 高压开关电源 0 6 0 k v 图1 - 4e c r h 高压屯源电路拓扑之一 图l _ 4 所示为应用于e c r h 高压电源系统中的一种电路拓扑结构。其工作 原理是：市电通过升压变压器升压至l1 k v ，然后通过晶闸管进行交流调压，再 经过升压变压器升压，变压器副方有两组绕组，分别接二极管整流桥，整流桥 输出串联后滤波得到所需要的负高压电源，该电源已成功的在印度等离子体研 究所的s s t - i 托卡马克设备中作为低混杂波电流驱动( l h c d - l o w e rh y b n a c u r r e n t d r i v e l 的波电源。a d i t y a 托卡马克装置的e c r h 波电源也采用这种方 案，只是在电路结构上略有不同，其进线采用调压器，输出隔离变压器副方只 有一组绕组。 此种方案的控制原理简单，但电路较复杂。该方案需要两级大功率的升压 变征器，晶闸管需要串联，由于输出电压中纹波频率较低( 6 0 0 h z ) 而需要大容量 电容滤波这给系统的快速性带来不利的影响。此外，由于晶闸管的关断不可 控，虽封锁了输出脉冲，然而晶闸管的关断却存在延时，给后面的保护电路带 来麻烦，特别是c r o w b a r ( 撬棒) 保护不当时会造成晶闸管的损坏。 图1 5e c k h 高压电源电路拓扑之二 哪一 图1 5 所示为应用于e c r h 高压电源系统中的另一种电路拓扑结构。该电 路的工作原理是电网电压通过进线电抗器接到开关设各，开关设备的输出送至 三相交流调压器，三相交流调压器的输出经升压变压器送到二极管整流电路给 高压电容器充电，电容器充到设定电压值时，断开高压接电开关，当控制脉冲 和给定电压加到高压电源的脉冲输入端和给定输入端，四极管开始工作在调整 放大状态，经过反馈控制使输出电压稳定在与给定值相匹配的数值上。这种结 构的高压电源的主要应用就是在托卡马克装置上作为微波电源，如位于美国圣 地砸哥的d i l l d ( d o u b l e t m - d ) 托卡马克装置上的e c r h 波电源采用的就是这种 方案。当然，这种电源也可以作为电视信号发射装置的工作电源。 此种方案也是目前在托卡马克装置中应用较多的方案之一，由于其采用线 性调整，因此输出电压纹波较小，同时由于四极电子管的响应时间短，快速性 好。另外，由于电源的输入电压由电容器组提供，c r o w b a r 接在四极管的输入端， 因此当c r o w b a r 动作时不会对四极管造成危害。因此簸得广泛的应用。 图1 - 6 为基于p s m 技术的高压开关屯源主电路拓扑。它是一种比较先进的 拓扑结构，己成功应用在一些实验装置上，例如瑞十洛桑的等离子体物理研究 所f c r p p ) 给到旋管供电的基于p s m 技术的高压电源，该电源输出电压、电流分 别为8 5 k v 、8 0 a ；德国的w 7 一x 托卡马克的e c r h 装置上基于p s m 技术的高 压电源，其输出电压为1 3 0 k v ，在脉冲模式下能输出1 0 0 a 的脉冲电流( 每3 分 钟持续1 5 秒) 。此外，它还可以应用在高功率广播发射机上。这种拓扑结构是 高压电源今后研究与发展的方向，是本论文的重点研究内容，将在后续章节中 做具体的分析与研究。 图1 - 6 基于p s m 技术的高压开关电源主电路拓扑 在应用电力电子技术的高压直流电源中，其主功率开关管可以工作在硬开 关和软开关两种模式下。硬开关模式中，开关过程中电压和电流均不为零，出 现了重叠，因此导致了开关损耗。而且电压和电流的变化很快，波形出现了明 显的过冲，这导致了开关噪声的产生。为了克服硬开关状态下的诸多问题，8 0 年代以来软开关技术得到了深入广泛的研究，并开始应用于高压电源。软开关 模式中，通过电感和电容c 的谐振，构成辅助换流网络，在开关过程前后引 入谐振过程，开关开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除 开关过程中电压和电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除损 耗和开关噪声。 1 2 高压开关电源研究面临的问题与困难 国内外高压开关电源的研究取得了很大的成果，现阶段，基本满足了科学 研究和社会生产的需求。但科技的进步，社会的发展，对高压开关电源的电压 等级、功率及电源性能等也提出了更高的要求在目前的科技永平下，高压开 关电源的发展面临着众多的问题与困难。在这些问题与困难中，高压、大功率 半导体器件和变压器将是高压开关电源发展面临的最主要的难题。 l 高压、大功率半导体器件 高压、大功率半导体器件的性能，如主功率开关管的电压等级、功耗、正 向压降等，二极管的反向恢复特性等，将极大的影响高压开关电源的性能。虽 然i ：_ l 前半导体器件的发展速度日新月异，但是在高压，大功率的应用场合还有 待进一步的改进和完善。 2 变压器 传统高压电源的变压器都丁作在工频状态，因此体积庞大，设备笨重。应 用电力屯子技术的高压开关电源逐渐向高频化发展，电路中大量应用了高频高 压变压器。 高频高压变压器的设计是研制高压开关电源最困难的问题之一。不论驱动 和斩波线路设计得多么完美，大部分高压开关电源最后一级须用高频高压变压 器进行升压，因此高频高压变压器的设计是研制高压，大功率开关电源的关键。 3 高电压的绝缘问题 随着电子系统工作屯压等级的提高，有关线路和电气设备的绝缘问题越来 越突出。绝缘问题关系到系统和人身的安全，是高压系统中一个重要的问题。 4 额定负载电流的发热问题 高压系统中的丰导电回路，要长期通过额定工作电流，会产生比较大的电 能损耗，这种损耗如果不加以控制就会引起线路和电器的温度升高，影响系统 正常工作。 7 6 1 3 论文的选题 i 电源人致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就 是其调整管工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般 只有3 5 一6 0 ；开关稳压电源的调整管： 作在开关状态，开关频率可以大幅度地 提高主要的优越性就是变换效率高，可达7 0 9 5 。综合前面的分析，我们 知道传统的大中功率电源大多是线性稳压电源，采用工频变压器直接升压，虽 然电路比较简单，但是频率低，体积、重量大，且纹波、稳定性均难以令人满 意。随着现代电力电子技术和和新型电力电子器件如m o s f e t i g b t 的迅速发 展，使高压电源高频化得以顺利实现，从而大大降低了电源的体积和重量。 按照d c d c 变换器中开关管的开关方式分类，d c d c 变换器可分为硬开关 和软开关两种。硬开关方式是指d c d c 变换器的开关管在承受电压、流过电流 的情况下接通或断开，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，即所谓的 开关损耗。在硬开关方式下，当d c d e 变换器工作状态一定时，开关管的开通 和关断损耗也是一定的，因此开关频率越高，开关损耗越大，这是制约着开关 电源进一步高频化的关键因素。8 0 年代迅速发展起来的谐振开关( 又称“软开关 技术为解决降低器件的开关损耗和提高开关频率找到了有效的方法，引起了电 力电子技术领域和工业界同行的极大兴趣和普遍的重视。它采用软开关直流变 换器，开关管在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，即零屯压开关 ( z e r o v o l t a g e , - s w i t c h i n g ，z v s ) ，或是通过器件的电流为零，i t 9 零电流开关 ( z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n g ，z c s ) 。这种谐振开关技术可以使器件的开关损耗和开关 过程中激起的振荡大为减小，原理上讲，它可以使器件的开戈损耗降低到零， 因而频率的提高不受限制。先后有人提出了谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 、 准谐振变换器( q u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 和多谐振变换器( m u l t i - r e s o n a n t c o n v e m r s ) 、零电压开关p w m 变换器( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r s ) 和零电流开关p w m 变换器( z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n gp w mc o n v e r l e r s 】零电压转 换( z e r o - v o l t a g e - t r a n s i t l o nz v t ) p w m 变换器和零电流转换 ( z e r o c u r r e n t - t r a n s i t i o n z c t ) p w m 变换器。 瑞 的w s c h m i n k e 于1 9 8 5 年在b r o w nb o v o f ir e v 7 2 上首次提出了脉 冲阶梯调制( p s m ) 技术，其最初目的是在高功率a m 广播发射机中代替传统的 乙类四极管调制器。脉冲阶梯调锨j ( p s m ) 技术一经提出，便使得广播发射机的牛 产和设计产生了革命性的变化，各种各样的5 0 k w 至1 0 0 0 k w 的广播发射机均 相继采用了此种技术，成为当今广播发射机的主要调制技术。 现有的电源广泛采用t l 4 9 4 ，u c 3 8 7 5 等专用电源芯片来驱动开关管，特定的 电源芯片本身不可编程，可控性较差，难以扩展，不易升级和维修，同时电源 芯片为模拟型芯片具有模拟电路难以克服的由温漂和老化所引起的误差，无 法保证系统始终具有的高精度和可靠性。本文粟用1 1 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型 d s p 芯片设计了种新的智能型高频高压开关电源，对电源丰电路实现了全数 字控制，输出电压设置定点可调，提高了输出电压的精度和稳定度。控制算法 通过软件编程实现使得系统升级方便，也便于用户根据各自的需要灵活地选择 不同的控制功能。使用d s p 为核心对整个电源系统进行控制，使得高压直流电 源具有较好的可控性，并且易升级，易维修。 随着世界经济的发展和科学技术的进步，对高压、大功率开关电源的需求 越来越高。尤其在众多的大型科学试验装置中，对其供电电源均有特殊的要求， 如高电压，大电流，大功率，低纹波，低储能等等。在某些特殊的试验装置中， 若其中含有真空电子系统，如速调管，磁电管和陀螺振子等，要求其电源输出 电压具有良好的调节特性，并且系统出现故障时，要求输出端没有储能。鉴于 应用脉冲阶梯调制( p s m ) 技术高压电源的优越性，脉冲阶梯调制( p s m ) 技术被科 学家们迅速的应用于各种大型科学试验装置中，如加速电源、 t o k a m a k n b l ( n e u t r a lb e a m e c t i o n ) 和t o k a m a k e c r h ( e l c c t r o nc y c l o t r o n r c s o l l a r i c eh e a t i n g ) 等系统中，成为高电压、大功率系统中一种重要的调制技术， 获得了广泛的应用。 基于脉冲阶梯调制( p s m ) 技术的高压开关电源最初使用g t o 作为其开关器 什，输出电压和输出电流只有几千伏和几个安培。随着科学技术的发展，最新 的基于脉冲阶梯调制( p s m ) 技术的高压开关电源均采用i g b t 作为开关器件，应 用d s p 作为控制芯片控制开关管的开断，大大提高了开关频率，减小了输出 端滤波器的尺寸，大大的改瞢了系统的动态性能。钌如瑞士洛桑的等离子体物 理研究所( c r p p ) 给l 旦l 旋管供电的基于p s m 技术的高压电源，该电源输出电压、 电流分别为8 5 k v ，8 0 a ：德国的w 7 一x 托卡马克的e c r h 装置上基于p s m 技 术的高压电源，其输出电压为1 3 0 k v ，在脉冲模式下能输出1 0 0 a 的脉冲电流( 每 3 分钟持续1 5 秒) ；德国和法国的负离子n b i 电源，要求输出电压为3 5 0 k v ， 输出电流为3 0 a ，工作在脉冲时长大于1 0 0 秒的长脉冲模式下。 目前，脉冲阶梯凋制( p s m ) 技术主要应用于高压直流电源系统中，其输出电 压可以达到几十千伏至几百千伏，功率输出可以达到几百甚至几千千瓦。 1 a 本论文研究的主要内容 跟踪国内外电源技术的发展现状，结合本文中所述的基于p s m 技术的高压 开戈电源在各国的发展情况，本文将对如下的几个问题展开讨论和研究： 1 、回顾国内外高压开关电源的发展概况以及高压直流电源技术的发展概 况，说明在高压开关电源的发展过程中面临的问题和困难，主要体现在高压、 大功率开戈器件和高频变压器上。然后简要介绍基于p s m 技术的高压开关电源 的产生和发展过程，说明了本课题的研艽背景。 2 、对基于脉冲阶梯调制( p s m ) 技术的高压开关电源电路拓扑和控制方法进 行详细的分析，提出了该方法的不足。文中将在此基础上，对系统的控制策略 进行改进说明，井基于m a ：n ，a b s n 讯，i n k 的仿真环境，对不同调制器形式下 系统的控制方法进行了仿真研究。在此基础上，详细分析基于脉冲阶梯调制 ( p s m ) 技术的高压开关电源的优缺点。 3 、为了验证带有循环控制的脉冲阶梯调制( p s m ) 技术，设计了一台实验样 机。实验电路设计的主要技术指标为：输入电压：交流工频2 2 0 v 、5 0 h z # 输出 电压：0 9 0 0 v 连续可调；输出电流：2 a ；工作频率为= 2 0 k h z 。文中对主 电路、控制电路、驱动电路、反馈和保护电路进行了分析和设计，给出了详细 的电路设计过程。 4 、给出了实验样机的实验波形。实验结果表明，系统中六个开关管工作在 p w m 状态时的信号的占空比和其他工作在开关状态的开关管的状态得到了有 效的调节和控制，能够实现电源的软启动。并且在工作过程中实现了开关管 p w m 状态的“循环控制”，同时，实现了输出电压在o 9 0 0 v 之间的连续可调。 5 、提出了菇一种以较高精度实现高压电源输出的方法s m 技术，并与本文 的应用新颖控制策略的p s m 高压开关电源系统进行了比较。塌后对基于脉冲阶 梯调制( p s m ) 技术的高压开关电源进行了总结和展望。 第二章基于p s m 技术的高压开关电源工作原理分析 随着电力电子技术的发展，基于脉冲阶梯调制( p u l s e s t e p m o d u l a t i o n p s m ) 技术的高压电源在许多物理实验，特别是在托卡马克的e c r h ( e l e c t r o n c y c l o u o nr e s o n a n c eh e a t i n g ) 、n b i ( n e u t r a lb e a mt j e c t i o n ) 和d n b ( d i a g n o s t i c n e u t r a lb e a mi n j e c t i o n ) 等装置上取得广泛的应用。p s m 技术最先由瑞士的 w , s c h m i a k e 于1 9 8 5 年在b r o w nb o v e r ir e v 7 3 上提出，并在最韧广泛应用于广 播发射机中。基于p s m 技术的变换器具有如下优点：电路简单、控制方便，具 有更高的输出电压更大的输出功率输出电压的连续可调系统有高可靠性 ，高效率等。目前，p s m 技术主要应用于直流电源系统中，其输出电压可以达 到几十千伏至几百千伏，功率输出可以达到几百甚至上千千瓦。 2 1p s m 技术的基本原理f 1 4 i 2 1 is m 技术鲍基本原理 基于s m 技术的高压开关电源是由n 个开关电源模块经功率开关串联而成， 如图2 - i ( a ) 所示。其工作原理是：根据给定电压的大小，计算出需要开通m 个开关电源模块，假设每个电源模块的输出电压为u ，则输出电压为： v o = m u ( 2 1 ) 这种电源控制简单，电压可调范围大，可以输出几十千伏甚至几百千伏的 电压，并在高电压输出时具有较高的精度，启动过程输出电压波形如图2 一l ( b ) 所示。 ( a )( b ) 图2 1 基于s m 技术的高压开关电源主电路拓扑及其输出电压波形 由图1 可知- 在任意状态下，可以通过控制开关管s 导通的数量m 来控制 输出端电压“的大小，从而可以实现输出电压从0 到最大值口c ，的调节。随着 导通开关管数量的增加和减少，输出电压都将是u 的整数倍，并且呈现出阶梯 o 状的上升或下降。因此称这种调制方式为阶梯调制( s m ) 。显然，在阶梯调制( s m ) 下。输出电压将是离散的，而非连续可调的。 圈2 - 2 开关电源模块单元 二 尊琦卿 ； i ： 盈复 i 7 y 、n尊疆 i a ：! 闩三匡茸 图2 - 3 基于s m p s m 技术的高压开芙电源主电路拓扑 基于阶梯调螽虹s m ) 技术的高压电源控制简单，电压可调范围大，可以输出 几十千伏甚至儿白 千伏的高电压，并在高电压输出时具有较高的精度。但在相 对较低的电压输出时，如5 0 0 0 v ，若要使电源输出电压的误差小于t ，则至少 需要1 0 0 个5 0 v 的电源模块串联，电源模块较多，电源系统较为庞大。 2 1 2p w m 技术的基本原理 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术就是对脉冲宽度进行调制的技术。即 通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形( 含形状和幅 值) 。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不蒯的窄脉冲加在 具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量是指窄脉冲的面积。效果基奉相 同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差 异。 b )c ) 图2 - 4 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 罟! 日1 d 1 例如图2 4a ) b ) ，c ) 所示的三个窄脉冲形状不同，其中图2 - 4a ) 为矩形脉冲， 其中图2 - 4 b 】为三角形脉冲，其中图2 - 4c ) 为正弦半波脉冲，但它们的面积( 即 冲量) 都等于1 ，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响 应摹本相同。当窄脉冲变为圈2 4 d ) 的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节 的脉冲过渡函数。 p w m 技术般应用在中低电压等级、中小功率的开关电源中，其原理简单， 技术成熟。但p w m 开关电源大多局限在同定电压的输出模式，其输出电压可 调范围十分有限。若要求p w m 变换器输出高电压，必须采用开关管的串联， 从而增加系统的复杂性，降低了系统的可靠性。 2 1 3p s m 技术的基本原理 脉冲阶梯调制( p s m ) 技术足将阶梯调制( s m ) 技术和脉宽调制( p w m ) 技术相结合，既实现了高压大功率输出，又提高了精度。其丰电路拓扑与基于 s m 技术下的高压电源辛电路拓扑完全一样，如图2 一l ( a ) 所示。其工作原理是： 先根据需要电压的大小和每个模块的电压，计算出需要的电源模块数可能是小 数( m 1 1 d ( 其中m - 1 为整数位，d 为小数位) ，因此需要有m 个电源模块，其中 m - 1 个工作在全开通状态，1 个电源模块作在p w m 方式下。根据反馈电压和 给定电压的差值，在一定的控制规律下，调节投入电源模块的个数和p w m 信 号的占空比，从而获得稳定的输出电压，电源肩动过程输出电压波形如图2 5 所示。由图2 - 5 可以看出，基于p s m 技术的开关电源的输出电压为在直流电压 的基础上叠加了p w m 波，与基于p w m 技术的开关电源相比，需要更小的输 出滤波电感，对提高系统的动态性能具有重要的意义。 筐2 - 5 基于p s m 技术的开关电源输出电压波形 2 2 基于p s m 技术的高压开关电源主变压器 基于p s m 技术的开关电源是多个开关模块单元的串联输出，它们之间彼此 独立的电源电压需由副边具有多个绕组的主变压器为其提供。此时，主变压器 主要有两个功能，传递系统能量和提供必要的绝缘。为了减小变压器的绝缘等 级，通常是将所有的开关模块单元分成若干组，分别由独立的变压器提供能量， 同时要进行合理的布局。实践证明，输出电压在4 0 至6 0 k v 之间时，变压器的 绝缘不存在任何的问题。科研人员曾采用油绝缘变压器，这种变压器具有如下 优点1 、变压器油绝缘性能好、导熟性能好，同时变压器油廉价；2 、能够解决 变压器大容量散热问题和高电压绝缘问题。但油浸式变压器也具有很多缺点：l 、 变压器油具有可燃性，当遇到火焰时可能会燃烧、爆炸；2 、变压器油对人体有害： 3 、变压器油需定期检查。空气或浇铸干式绝缘变压器相对油绝缘变压器重量要 轻的多，而且性能相对较好。目前，浇铸干式变压器得到了越来越广泛的应用， 系统输出电压在7 0 至1 0 0 k v 之间时，均可以使用此种变压器。而在更高电压 等级的应用场合，则需要采用油绝缘的浇铸干式变压器。此外，丰变压器分布 电容中储存的能量在负载击穿时会通过负载放电，电压等级越高，在设计变压 器时越需要考虑这方面的影响。 2 3 输出滤波电感 p w m 变换器普遍在输出端采用了l c 滤波器。其输出滤波电感主要是限制 高频纹波电流峰峰值在一定范围内，通常要求变换器输出电流的纹波为额定电 流的5 2 0 ，且在最小负载时保证电流连续。据此，结台图2 - 6 ( a ) 可得电感 的计算公式为： 。一= 黜 ( 2 - 2 ) 基于p s m 技术的开关电源输出端也可采用l c 滤波器，其输出电压为在直 流电压的基础上叠加了p w m 波，其稳态时输出电压波形如图2 - 6 ( b ) 所示。 圈2 - 6 ( a ) p w m 变抉器输出电压波形o ) p s m 变换器输s q i g , 波形 由图2 - 5 0 0 ) ，依据电感上电压变化可知 4 。，d j 。= ( 屹一屹，) o b w k “= ( 匕r 一巧) o r h 式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可推导出： 玩= 辫 因此，由式( 2 3 ) 、( 2 - 5 ) 可得： l e s m , ，r = 黯黼 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 由式( 2 2 ) 可知： = 黜s 等篆罐= 孝t 陋， 由式( 2 6 ) 可知： 。= 等黼s 爵毪警蕞 ：当 l ( 2 8 ) 4 j s 1 w “ 比较式( 2 - 7 ) 和式( 2 8 ) 可知，在同样的指标情况下，基于p s m 技术的d c d c 变换器所需的滤波电感要小于基于p w n i 技术的d c f d c 变换器所需滤波电感。 变换器输出滤波电感尺寸的减小，降低了输出端的储能，尤其在p s m 系统中， 不再需要使用c m w b ”系统来保护末端的四极