苏振贺

摘 要：高压直流电源在生产生活中有广泛的应用，本研究提出了一种以DSP数字控制技术为核心的高压直流电源控制系统，并对该系统搭建了测试平台，验证了系统的可靠性，符合直流电源数字化、模块化的发展趋势，又便于系统的维护和升级，适合在电力系统广泛应用。

关键词：高压直流电源；控制系统设计；IGBT；控制模块

近年来，当今社会对电源的要求越来越高，传统的高压直流电源由于体积大、谐波含量高、对电网污染大等缺点，使其逐渐满足不了人们的需求。随着电力电子技术、功率器件和数字芯片的发展，数字高压直流电源逐渐进入人们的视野，逐渐取代了传统的高压直流电源。下面，介绍一种数字高压直流电源控制系统。

1.系统设计

1.1设计要求

交流侧谐波含量应满足1994年国家颁布的《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-93）中谐波含量低于4.5%的要求。系统功率因数应该高于95%。系统要求最后输出高压电压为-80kV。

1.2总体设计

该系统以DSP为控制核心，其原理是通过ACDC变换器把常规的220V三相交流电整流为720V的直流电压输出，然后再通过DC-DC变换器输出-80kV的直流电压[2，3]。系统采用闭环控制来达到高压直流电源输出电压恒定的目的，其原理是通过传感器对输出端的电压进行采集然后送入控制系统，控制系统根据要求输出脉冲信号来控制IGBT开关的通断。

2.系统硬件设计

根据设计要求，系统的硬件电路主要由DSP最小系统电路、IGBT驱动及保护电路、数据采集电路和线性光耦隔离电路组成。其中DSP最小系统电路主要包括常规的时钟电路、JTAG下载电路、复位电路及ADC数据采集电路。

2.1 IGBT驱动及保护电路

根据控制系统要求，DSP有6路脉冲信号需要输出，其中EPWMxA和EPWMxB为两路互补信号，分别控制桥臂上下两个IGBT开断。由于DSP芯片输出的脉冲信号功率难以驱动IGBT开关，因此需要在DSP脉冲输出端加入驱动电路以增加驱动能力。该系统中，驱动电路主要由QA02和si8220/21组成。

功率开关（IGBT）的工作环境通常是高频、高压与高电流，因此IGBT很容易受到损害，故需要对IGBT进行监测和保护。IGBT的过流保护电路主要包括变压器组成的交流互感电路、二极管组成的单相桥式整流电路和LM211N运算放大器组成的比较电路。其原理是通过互感电路将主电路电流采集后经整流电路、比较器之后同预设值进行比较，当检测到回路电流超过预设值后，会输出5V的高电压。IGBT驱动电路检测到此信号后会关闭其驱动信号，同时DSP和FPGA检测到此信号后，也会关闭脉冲信号输出来保护IGBT。

2.2 IGBT数据采集电路

为了能够有效地对系统进行控制，需分别对交流电源的电压、电流信号和直流电源的电压、电流信号进行采集。

交流电源信号采集：以交流电压采集为例进行说明。电压采集电路主要包括LV100霍尔电压传感器组成的采集电路和AD820运放组成的电压偏移电路。其中LV100用来采集交流侧电压；电压偏移电路主要作用是把LV100采集到的电压转换成正电压，以便输入到DSP的ADC模块。

直流电源信号采集：因直流电源的输出均为直流信号，故采用电阻分压电路方式对AC-DC变换器和DC-DC变换器的直流信号进行采集。

2.3线性光耦隔离电路

为了防止系统的控制电路受到干扰，影响其稳定性与准确性，需对主电路与控制电路进行电气隔离，该系统采用高精度线性光耦隔离器件IL300进行隔离。

本设计中线性光耦隔离电路主要由三部分组成：

①AD820运算放大器（U11）等组成的跟随电路；

②IL300的LED、PD1及运算放大器（U8）等组成线性光耦隔离电路的输入部分；

③IL300的PD2及运算放大器（U9）等组成线性光耦隔离电路的输出部分。

当电路输入Vin的电压时，发光二极管LED上会产生IF的电流，光敏二极管（PD1和PD2）由于接受到LED的光照，会分别产生Ip1和Ip2的电流。根据运放的特性，输入电压Vin会产生电流流过跟随电路的输出电阻R17，可得到：

3.系统软件设计

3.1总体设计

根据系统要求，控制系统软件部分主要包含AC-DC和DC-DC两个控制模块。AC-DC控制模块主要是保证PWM整流器模块输出恒定电压，同时保证电源有较高的功率因数和较低的谐波含量并能够及时对故障做出响应，以保证系统安全；DC-DC控制模块主要是保证输出电压恒定及系统安全。

该系统使用两块DSP分别控制AC-DC变换器和DC-DC变换器。该设计使得两控制系统间互不影响，各自能独立运行，有利于系统的维护和升级。两块DSP通过并口通讯实现信息交换，相互之间可以实现实时监测，能针对不同情况及时做出反应，能更好地保证系统的安全。

3.2控制方案

为提高控制系统的实时性，该设计采用并行控制。该方法将控制系统分为两个单独的模块：其中一个模块进行数据的采集和运算；另一个模块则用于控制脉冲的重载。两个模块间独立运行，必要时可以进行信息交互。从中看出数据采集模块和EPWM模块各自有不同的中断源。其中，数据采集模块中的AD转换采用“定时事件”触发方式，当定时触发信号触发ADC时，开始一次AD转换，转换完成后，ADC发出中断请求，然后ADC中断服务程序对采集到的数据进行处理PI处理，给出控制量。EPWM模块的中断触发以后，EPWM产生模块将直接读取并重载ADC中断服务程序给出的控制量。

3.3FPGA设计

为保证系统安全，需同时对系统的多个状态进行实时监测。同时由于DC-DC电路拓扑结构要求，即使系统出现故障也要保证PWM脉冲宽度等于4μs。因此本系统采用FPGA进行实时状态监测，当出现故障时可以及时关闭系统，保证系统安全。同时还可以实现DC-DC系统中固定脉宽4Us的要求。

4.系统测试

完成系统设计之后，为验证系统可靠性，分别搭建了电源模块、采集模块、控制模块、整流桥模块、逆变桥模块及倍压模块，最后将其组合得到测试平台。本次设计主要对其中几个主要模块进行测试。

5.结束语

综上所述，随着电力电子技术和控制理论的发展，数字化控制的高压电源成为研究的热点。DSP将来自于真实世界未经处理的模拟电子信号变换成相应的数字信号，以其为核心技术进行高压直流电源控制系统的设计，具有体积小、重量轻、效率高等优点，能够较好的满足系统控制以及现代化生产要求。

参考文献：

[1]郎福成， 张红奎， 秦燕，等. 数字式高压直流电源控制系统：， CN105406739A[P]. 2016.

[2]汪杰. 数字高压直流电源控制系统设计[D]. 西南交通大学， 2016.

[3]严萍， 张春林， 高迎慧，等. 一种数字化高压直流电源[J]. 强流脉冲技术研究组， 2010.