大功率直流稳压电源的设计与实现_袁道香

1、大功率直流稳压电源的设计与实现袁道香第33卷第1期2017年1月吉林工程技术师范学院学报journalofjilinengineeringnormaluniversityvol.33no.uan. 2017大功率直流稳压电源的设计与实现袁道香，李摘i中(无锡机电高等职业技术学校自动化系，江苏无锡214081)80kv/1000ma大功率直流稳压电源，要经由整流、逆变,利用lpc1768对整个电源进行控制，能够得到080kv可调电压。与传统的线性直流稳压电源相比，该装置重量轻，体积小，可靠性高，节能效果好，容易操作。关键词直流稳压电源；整流；逆变；igbt 中图分类号tm44文献标识码a9042

2、 (2017) 01-0088-04 文章编号1009-随着现代电力电子技术的飞速发展，应用大功率直流稳压电源的场合越来越多，人们对大功率高压直流电源的需求不断提升，使得大功率直流电源朝着方便实用、高可謀性、强抗干扰能力、 安全稳定的方向快速发展。文中主要介绍一种大功率直流稳压电源，它可以用在电力、冶金等行业的除尘设备上，输出稳定的高压直流电，能降低除尘器的运行功耗，提高其除尘效率，实现节能减排，减少对大气的污染。一、电源的整体设计从图1可以看出，整个电源从工频50hz的三相交流380v的输入到稳定的高压直流的输出，可以被分为主电路部分和控制电路部分，而主电路部分乂包括输入整流和滤波部分、全桥

3、逆变部分以及输出整流和滤波部分o图1电源整体流程二、主电路分析主电路原理如图2所示，采用常见的ac-dcac-dc转换模式。其主要工作过程为：将输入的工频三相380v交流电整流成脉动的直流电，再经电容滤波转换成平滑的直流电，然后通过绝缘的双栅晶闸管（igbt）和变压器组成的全桥逆变电路进行逆变，最后经整流滤波输出稳定的高压直流电。电网中工频交流380v电压经三相桥式全控整流，再经电容滤波得到0540v左右的直流电。三相桥式全控整流电路由两组桥壁构成，共阴极组（vt1, vt3, vt5）和共阳极组（vt4，vt6, vt2）。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，

4、因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应导通的一对晶闸管同 时加触发脉冲，可以采用宽脉冲触发或双脉冲触发，这里采用双脉冲触发。11-18收稿日期：2016-），作者简介：袁道香（1979-无锡机电高等职业技术学校自动化系讲师，主要从事自动控制领域研究。女，江苏射阳人，第33卷第1期袁道香等：大功率直流稳压电源的设计与实现 89 图2电源整体流程逆变部分采用电压型全桥逆变电路，它有4个桥臂，可以看成两个半桥电路，每个桥臂包括一个可控器件igbt和一个反并联二极管。这里的igbt是电源的关键器件，属电压驱动元件，它的性能决定了整个电源的稳定性，其最大耐压值应该优先考虑，而反并联二

5、极管是为了防止感应电动势对整流电路的igbt2和ig-破坏。其中igbt1和igbt4是一组，bt3是一组。组内igbt同时导通，组间igbt交替ig-各导通180°。当前一组导通而后一组关断时，bt1、igbt4和变压器原边构成导通回路，回路中的c2是为了阻止直流分量。igbt1和igbt4由导通igbt2和igbt3方导通，到关断经过一段时间后，以防止发生直通现象；当后一组导通前一组关断时，igbt2和igbt3以及变压器原边构成回路，igbt2igbt1和和igbt3由导通到关断会持续一段时间，igbt4才会导通，然后进入下一个逆变过程。因此，通过控制两组igbt的导通时间，就

6、可以在变压器原边得到宽度可调的交流脉冲波，再通过高 频变压器进行变压隔离，再经过整流、滤波就能得到平滑稳定的高压直流电。变压器在输入回路和输出回路之间起电压升高、能量传递和安全隔离的重要作用，避免了前后回路之间的影响。这里的变压器电压等级较高（60kv）,工作频率较髙（20khz）,且功率很大（50kw），需要采属于高压高频大功率变压器的范畴，用高压硅堆对变压器输出的高频交流方波进行整流，目前通用的做法是把高压硅堆和高频变压器封装在同一个油浸箱体中，构成一个整流变压器。三、控制电路分析控制部分是开关电源的核心，该部分电路主要功能是使输出电流和电压保持稳定，并保障电源安全的运行，使得电源出现故障

7、时能及时可靠的动作，还要注意输入输出的隔离，防止强电进入控制电路。逆变电路控制部分采用脉冲宽度调制技术（pwm控制技术），对逆变电路的开关通断控制采用三角波比较控制方法。通过误差信号与恒定的三角波比较，产生与误差信号宽度成正比，频率相同的可调脉冲，再通过比例放大，传递给逆变电路部分。该方法功率开关器件的开关频率等于载波频率，输出谐波小，系统设计方便，实时性良好。逆变控制原理如图3所示。该电源采用sg3525输出脉冲控制开关管的通断o图3pwm逆变电路控制原理igbt的驱动部分采用集成化驱动模块2sd315a,其采用变压器耦合隔离，最大开关频率高达100khz，输入输出间交流耐压可达4000v，

8、内部包 含两路igbt驱动电路，能用于驱动1700v的ig-bto驱动电路的作用是将sg3525输出的两路pwm脉冲信号进行功率放大，并具有较强的抗干扰能力和对igbt的保护功能。2sd315a的内部电路可划分为三如图4所示，部分。第一部分是逻辑驱动转换接（ldi）,它主耍用于接收pwm信号，经处理后传送给下一级；第二 90 吉林工程技术师范学院学报2017年1月部分是智能门极驱动（igd）,它通过高频隔离变压经放大等处理后输器从上一级（ldi）接收控制信号，出±15v/15a （瞬时电流）的驱动信号，用于大功率igbt的控制，每只2sd315a内部包含两个igd模块；第三部分是输入

9、与输出相互绝缘的dc/dc转换器，它的主要功能是给两路输出通道提供彼此隔离的供电。图 中的vdd和vdc都为+15v，分別为控制侧输入电路和dc/dc转换器供电，驱动模块使用单一的15v电源产生+15v和一 15v电压，用于驱动外部igbto图42sd315a驱动模块内部结构采用为保障整个电源系统的稳定性和可靠性，nxp公司生产lpc1768单片机，完成对多台电源的顺序控制、报警、故障显示以及与上位机的通讯，监控整个电源系统的运行和保护。单片机控制部分包led数码显示，括lpc1768单片机最小系统，拨码开i/o接口电路和rs485转换关电路，数模转换电路、电路。单片机最小系统是单片机控制部分

10、的核心，主要用于与外围设备进行信息交换，系统所需的控制功能主要通过对单片机进行程序编写实现。led数码显示部分主要功能是实现运行和报警指示，拨码开关部分用来设置单片机的地址。数模转换电路实现数字量与模拟量的相互转换，由于对于模拟信号的分辨率要求不是很高，这里使用lpc1768自带的10位数模转换器(dac)和12位模数转换器(adc)。i/o接口电路用于实现单片机与外部的控制和信息交换，用于信息传递过程中的速度匹配和增强单片机驱动负载的能力。采用rsm3485隔离收发器模块的rs485转换电路与单片机lpc1768白带的串行通信接门结合在一起构成了总线型通信m络，引入pc机，采用主从式结构模式

11、，从而将多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。其中单片机与上位机之间的通讯采用标准的modb-usrtu通信协议。由于系统的干扰信号比较复杂，除需采取硬件的抗干扰措施外，看门狗定时器和数字滤波等软件的抗干扰措施也是必不可少的，仅仅使用硬件或软件抗干扰措施具有很大的不确定性。四、使用效果简介上述设计的合理性、可行性以及有效性己在设计的10台80kv/1000ma高压直流稳压电源的成功运行中得到了验证，经运行中的实际测试，发现最后输出的高压直流电的电压波形非常平稳，且其过压、igbt超温等保护灵过流、短路、开路、油温、油位、敏，效果令人满意，说明装置的性能稳定良好，可以投入使用。五、结

12、语本文设计了一种大功率直流稳压电源，采用sg3525输出pwm波形控制逆变电路实现其外部特征，利用单片机lpc1768控制可控硅的导通角，实现输出功率的调节及可视。采用三相桥式全控整流和电压型全桥逆变电路实现大功率高压直流稳压电源的整流逆变，最大输出电压80kv,最大输出电流1000ma,输出可连续调节。实验结果显示，设计的电路参数和结构较合理，性能也比较稳定，能实现预定的输出效果。控制部分以lpc1700系列的最高端芯片lpc1768为核心，利用pwm控制技术进行稳压控制，从多个方面采取了抗干扰和保护措施。理论分析和试验结果都验证了本设计的有效性和稳定性，可推广应用到其他相似装置屮，有很好的

13、应用前景。参考文献：宏，曾广华.3510v/45ka大功率直流电源的设计与门.电气应用，2006,25 (9)： 118-121.实践2 tianj. innovationanduseofnewtypehighpowervoltage controlledpowersourceforelectricheaterj. chemicalfertilizerlndustry,2007.3梁建伟，刘志刚.基于单片机高性能可调直流稳压电源j.科技广场，2007(9)： 195-197.的设计4cranfordhc, fickenwj,freitasda，etal. seriallink receiver

14、withwideinputvoltagerangeandtolerancetohighpowervoltagesupply：us, us7332932 p. 2008.5 zixinli，wangp，yaohuali, eta i. 400hzhigh power voltage sourcelnverterwithdigitalcontrol j. proceedingsofthecsee, 2009, 29 （6）： 36-42.6 denisif, bogm. methodandcircuitforavoltagesupplyforrealtimeclockcircuitrybasedo

15、nvoltageregulatedchargepump： us,us7550954 p. 2009.7 陆天华.基于igbt350khz人功率分时移相控制逆变电源d.无锡：江南大学，2009.的研宄1李（下转） 96 吉林工程技术师范学院学报2017年1月abstract：anindustrialsewageemissionmonitoringsystemisdesignedbasedonthewirelesssensornetworktechnology. suchasystem, composedofsensornodes,routernodes, convergentpoints,reg

16、ionalmonitorcoordinatorsandaremotemonitorcenter,isabletomonitortheparametersofwaterqualitywithintheemissionareaofindustrialsewageandcontroltheemissionwhennecessary.keywords： wirelesssensornetwork； sewageemissionmonitoring；systemdesign责任编辑王伟（上接）8 王谢月新，龙，饶立新，等.基于igbt逆变器的大功率j.湘南学院学报，2010, 31 (5)： 47-50

17、.直流稳压电源9尤国强，刘瑞妮，等.基于单片机的大功率直流电梁计锋，门.电子制作，2015(3)： 6-7.源的设计thedesignofahigh powerdcconstantvoltagepowersupplyandits realizationyuandao-xiang, likun(automationdepartmentatwuximachineryandelectronhigherprofessionalandtechnicalschool, wuxijiangsu214081, china) abstract：thepaperdiscussesaboutahigh powerdcconstantvoltagepowersupplyof80kv/1000ma,theoutputofwhichisadjustablebetwe