一种基于单片机和PSD的数制化电源
2009-02-19
作者：陈渊睿 蔡丽娟
摘 要:根据单片机80C196KC和现场可编程系统器件PSD302的特性，设计了一种数制化电源装置，提供了程序框图，并对其进行了谐波分析。它是一种高性能的通用装置，可替代传统的PWM逆变电源。
关键词:电力电子器件 电源 单片机 现场可编程系统器件
随着现代工业的发展和社会进步，人类对电能种类的需求不断增加，如要求电能有多种制式：直流稳压电源、交流工频电源、中高频感应加热电源、高压电解电源等，而且需求的数量也在不断增加。要提供这些制式的电能，就要有许多不同的电源变换装置。此外，为满足各种电气设备对电源的特殊要求，也需要一些装置对电源进行变换和控制。这些装置品种繁多，其原理和构造各不相同，且一般只有有限的功能，难以相互替代。因此，设计出一种通用的电源装置，使它在原理和结构上不作改动即能提供多制式的电源，具有重要的现实意义[1]。然而，利用60年代的晶闸管以及70年代的自关断器件(如GTR、GTO)构成的电气装置，由于器件的工作频率低下，难以逾越20kHz这一大关，因而效率较低，原材料消耗较大，并且系统的动态性能不够理想，易引起所谓的“电力公害”[2]。80年代急速兴起的场控自关断器件(如IGBT、VDMOS、SITH、SIT、MCT等)都是集高频、高压、大电流于一身的性能优越的电压控制器件，它们的出现使得设计和制造出一种通用的电源装置成为可能。
本文以数制化电压单元为基础构成电压合成器(VS)，再由单片机按波形重组合技术(WRT)控制VS中各单元的电子开关(IGBT)，使导通单元的电压迭加得到所需的波形，从而实现所要求的功能。
1 系统组成和原理
1.1 数制化电压单元的选取[3]
系统的数制化电压单元按如下规律选取：
先确定最小的电压单位(如1V)，并取E0＝1V作为基本单元，其次选E1＝2E0作为高一位的单元，再次选E2＝2E1＝4E0作为更高一位的单元，……依次类推，如图1所示。若共有N位单元，则最高位单元的电压为：
需要指出的是，这些单元可以是恒定的直流电压，也可以是等宽的单向脉冲电压，甚至可以是同频同相的交流电压。这里只讨论恒定直流电压的情况。
1.2 电压波形重组合[1]
先将拟要产生的波形分成若干个垂直条块，这些条块的宽度远小于波形的周期，可看作为具有固定幅值的矩形条块。这样给定的电压波形就可用上述的数制化单元迭加得到，如图2所示。使用二进制的单元系列不仅可减少单元数目，简化结构，而且极易利用单片机来进行控制。
1.3 主电路部分
由以上电压迭加分析可知，各数制化电压单元应串联起来，并且每个单元应串联一个可控制其导通或关断的电子开关，构成电压合成器VS。综合考虑目前电力电子器件的性能，这里选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作电子开关。这是一种电压控制型器件，其输入阻抗高、驱动电路简单、驱动功率小、开关速度高、开关损耗小；它的通态压降比VDMOS还低，特别是在大电流区段；且在1/2或1/3额定电流以下区段具有负温度系数，而在以上区段则具有正温度系数，因此在并联使用时具有自动调节电流的能力。另外，IGBT的安全工作区比GTR宽，而且还具有耐脉冲电流冲击的性能，特别适于作高频开关使用[2]。
为了使某位数制化电压单元在关断时能给其它单元提供电流通路，每位单元Ei在与其控制开关Si串联后，应再与一快速恢复二极管Di反向并联，如图3所示。用Si＝1表示第i位单元被选通，Si＝0表示关断，则AO端的电压为：
为了使装置能提供交变电压，在输出到负载之前须再加装一开关换向桥，这四个换向开关也选用IGBT，以便于控制和得到与上述一致的性能。这样当G0G3导通、G1G2关断时，输出端U点的电位高于V点电位；反之，当G0G3关断、G1G2导通时，V点的电位高于U点的电位。
1.4 单片机监控电路部分
为了简化电路、降低消耗、增强性能，本系统的监控部分主芯片拟采用80C196KC单片机和现场可编程系统器件PSD302。80C196KC是Intel公司的第二代CHMOS型真16位单片机，它在与外部设备进行数据交换和内部运算时均可采用16位操作方式，时钟频率可达16MHz以上，其控制IGBT开关的时间精度可达微秒级，速度比8位单片机快得多。它的指令系统也更加丰富，效率更高。另外，80C196KC还新增了一个外设事务服务器(Peripheral Transaction Server,即PTS)，大大提高了响应外设中断的速度，增强了A/D转换器的性能(10位/8位)。因此，它特别适合于要求实时处理、实时控制的系统[3]。
PSD302是一种功能很强的通用外围接口芯片，它不仅可替代单片机最小系统中的地址锁存器、译码器和存储器，而且可使系统功能和可靠性大大增强。它有19根可单独构造的I/O引脚、两个可编程阵列、内部高速EPROM和SRAM等，可有四种工作模式供选择，作输入的引脚有效电平可编程，故它几乎支持任何8位或16位微控制器[4]。
根据上述芯片的特性，可画出监控部分的电路示意图，如图4所示。80C196KC的 P0.0和P0.1作为内部8通道A/D转换器的模拟输入端，分别检测输出电压和负载电流，P0口的其它线仍可作数字输入口用，P1口和P2.6、P2.7为准双向口，可用于输出监测数据和声光报警信号，P3、P4口用作系统总线。为了防止A/D转换器模拟输入端过载及增强其抗尖峰干扰的能力，应分别加装二极管箝位电路及阻容滤波电路。PSD302构造为16位多路复用模式，PA、PB口均构造为I/O输出，分别作为VS和换分向桥的控制驱动，PC0～PC2留作备用，或作为片选输出信号。
2 程序流程图
本系统由80C196KC的内部定时器T0设定采样时间间隔，T0的中断服务程序分别采集输出电压和负载电流，存入PSD302的响应SRAM中。80C196KC根据采样值与标准值的比较发出命令给PSD302，调节输出幅值或相位。程序流程图如图5所示。
3 谐波分析
理论上讲，利用数制化电源装置可以产生任意形状的电压波形，但由于频率很高时，IGBT的开关时间不可忽略，单片机系统的运行时间也必须加以考虑，故实际上只能得到近似的阶梯状曲线。以最常见的合成正弦电压的情形为例来分析，并忽略二极管和IGBT的导通电压，当VS能输出的最高电压与正弦电压的峰值接近时，输出端UV的电压可展成傅立叶级数:
成立时，可使(2N+1+1)次以内的谐波皆为零。例如，当只有一位单元时，则触发角α1为0.5236弧度，可使5次以内的谐波为零；当有两位单元时，则触发角α1，α2，α3分别为0.2037,0.4701,0.9784弧度或0.2093,0.7318,1.4953弧度，可使9次以内的谐波为零，而9次及以上各次谐波频率与基波频率相差很大，易用低通滤波器滤去。若再增加几位电压单元，例如共用八位，如果能选择适当的触发角，则513次以内的谐波皆为零。
4 应用
由以上分析可知，通过改变单片机的控制方式，即可获得各种各样的电压波形，例如用简单的线性插值法，可实现输出无级可调直流电压，因此这种数制化电源装置首先具有通用性，可用于交直流电机的正反转控制及调速、实验室电源等。在输出正弦交流电压时，它的谐波分量比普通的PWM逆变器小得多，如不使用低通滤波器，则可消除滤波器引起的波形失真。它的控制也较简单，可用于对电源要求较高的场合，如高精度变频调速、不间断电源、大功率高效D/A转换器、多电源系统等，原则上可取代PWM。如果用于专门用途，只输出一种电压波形，则整个系统从硬件到软件都可进一步优化，以简化设计，降低成本，提高精度，增强可靠性。
随着科学技术的不断进步，器件的集成度越来越高、性能越来越强、功率也越来越大，用它们设计和制造出来的各种装置也正朝小型化、高频化、智能化、大功率方向发展。目前500kHz的VDMOS开关电源在市场上已有售。在采用谐振开关技术时，其开关频率可进一步提高到数兆赫至几十兆赫，效率大于80%，出现了功率密度达每立方英寸30～50W的所谓“卡片式”开关电源。但VDMOS的导通电阻与U2.5成正比，限制了它在高频中、大功率领域的应用。IGBT集MOS器件与双极型器件的优点于一体，得到了越来越广泛的应用，有取代GTR和MOSFET的趋势。可以预见，未来的电力电子开关器件具有导通压降更低、开关速度更高、损耗更小等特点，与现代控制理论相结合的数制化电源装置功能也将进一步增强，彻底取代PWM等也将成为必然。
参考文献
1 何绍雄，於岳亮.电源装置的统一化和数制化——波形重组合技术.上海交通大学学报，1992；26(3)：1～7
2赵良炳.现代电力电子技术基础.北京:清华大学出版社,1995
3龚金水.PVI系列正弦波高效率逆变器.电工电能新技术. 1991(3):48－53
4孙涵芳.Intel16位单片机.北京:北京航空航天大学出版社,1995
5许少云，李伟鹏.现场可编程系统器件PSD原理、开发与应用. 北京: 电子工业出版社,1996