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基于集中控制的模块化开关电源系统的研究

  摘 要:针对传统大功率电镀电源的不足,介绍了一种基于集中控制的全数字化大功率电镀电源,控制器采用DSP+FPGA的形式, DSP TMS320F28335作为主控制器负责算法,FPGA负责脉冲的分配与下发,系统采用模块化、标准化的设计,可以通过模块的叠加达到不同的功率要求,很好的实现了大功率输出和N+1冗余。由于全波整流在低压大电流中的缺陷,文章将采用全桥倍流整流软开关的主电路方式,最后成功研制了一台180KW、15KHz的样机,通过实验表明,本系统工作稳定、控制精度高、体积小、成本低。
  关键词:电镀电源;集中控制;倍流整流;软开关;模块化;N+1冗余
  DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.210
  1 引言
  在电镀行业里,一般要求工作电源的输出电压较低而电流很大。由于半导体功率器件、磁芯材料等方面的原因,单台大功率开关电源在设计和制造中存在较大的困难,成本也比较高,且单台电源故障会导致整个系统瘫痪,降低了系统的可靠性。
  目前,电镀电源大多采用分离的模拟器件或专用ASIC 芯片实现PWM 控制, 设备对外接口不方便, 使用不够灵活, 不易于实现智能化控制。其输出侧多采用全波整流式结构,在这种方式下变压器需要有中心抽头利用率不高而且不方便生产,输出电感也会因为大电流而使工艺变得复杂并会增加输出滤波电感和变压器的体积以及整流管上的电压应力,不利于在低压大电流场合中应用。
  所以,模块化、数字化以及软开关相结合的新型电镀电源必有很好的发展前景。
  本文介绍的电镀开关电源采用模块化、标准化的设计并通过并联备份实现N+1冗余,当某个模块发生故障时,自动切除故障模块,系统依旧可以正常工作,单个模块输出电压为0~24V、电流0~1500A 连续可调,文章采用5个模块并联来实现大功率输出以及N+1冗余,控制系统采用集中控制的方式,DSP负责所有模块的数据采集实时计算均流信息,FPGA负责脉冲的分配并通过光纤把触发脉冲下发到功率单元的驱动模块。主电路输出侧采用倍流整流软开关的拓扑结构,变压器和输出滤波电感的设计都得到了简化并且提高了整体效率。
  2 系统总体结构
  整个系统采用标准化的模块进行并联,每个模块的结构和元器件等各项参数完全相同,这样就可以根据不同用户对功率的需求进行模块叠加,从而避免了由于不同的功率要求而进行器件的重新选型和结构上的变化带来的麻烦。图1为系统结构图,本系统采用5个模块并联。
  系统主要由功率单元模块,单元控制电路和主控电路构成,控制策略为集中控制,主控负责控制策略以及脉冲的生成,底控负责驱动的隔离与放大以及故障检测,系统可工作在稳流、稳压状态下,其中稳压控制为双环控制,在稳压的前提下进行自动数字均流。
  单元模块中T为主断路器,K1为主接触器,K2为辅接触器,R为软启动电阻,由于在上电瞬间对于直流侧的电容两端来说相当于短路这可能会冲坏电容甚至可能使整个功率单元瘫痪所以软启动电路是很重要的。在上电初始K2闭合使系统进行软充电,单元控制模块会检测直流侧的电压,当检测到电压达到所需要的值时控制器会先闭合K1再断开K2使其脱离软启动。
  3 功率单元拓扑
  图2为全桥谐振倍流整流DC/DC变换器的电路拓扑。图中Uin表示输入侧的直流电压。VT1-VT4为两组桥臂上的四个功率开关,C1和C3为滞后桥臂开关管VT1与VT3的内部寄生电容;VDs1及VDs2为滞后桥臂串联的二极管;VDR1、VDR2为副边整流快恢复二极管;Lr为串联谐振电感(已包含高频变压器的漏感);Cb为隔直电容;输出侧Lf1和Lf2为副边滤波电感(可共用一个磁芯相互耦合制成);Cf为输出侧滤波电容;Rld为相应的供电负载。图3为软开工作波形。
  4 数字控制器的软硬件设计
  控制系统主要由DSP和FPGA组成,图4为控制系统结构框图,DSP采用TMS320F28335,FPGA采用EP2C20。
  整个系统的控制原理为:通过上位机也就是这边使用的组态屏来选择系统的工作模式,选择哪几个模块投入使用并采用什么控制方式(稳压/稳流)以及设定电压和电流值,各项数据设定完毕后通过串口下发给DSP, DSP会根据参数的设定自动计算出运行参数,FPGA通过数据总线读取DSP的计算结果,通过光纤自动给每个功率单元分配驱动脉冲。每个底层单元的驱动模块只负责驱动脉冲的放大、隔离以及IGBT故障信号的采集与反馈。
  4.1 基于DSP28335的数字均流
  大功率直流电源的并联首先需要解决的是均流问题,传统的均流方法大多采用模拟控制,不仅控制精度难以保证,且在均流和冗余方面也存在一定的局限性。采用数字通行方式的均流,由于需要通信总线,其响应时间以及抗干扰能力都有一定的缺陷。
  本文采用集中控制的方式,结合了DSP与FPGA各自的优点实现自动均流,DSP实时采集每个单元模块的电流值,结合平均电流法自动算出每个单元IGBT驱动脉冲的移相角,FPGA通过数据总线的方式来读取DSP的计算角度,并产生相应的驱动脉冲,通过光纤把FPGA生成的驱动脉冲下发给对应单元的驱动模块。由于FPGA并行运行的特点,每个单元的驱动脉冲可以实现同步,这样就很好的解决了开关时序不同步引起的开关震荡,进一步减少了环流,同过光纤来传递驱动脉冲,增强了系统的抗干扰能力,由于没有中间通信环节整个系统的响应时间变短,均流控制更加平稳。
  4.2 N+1冗余设计
  N+1冗余设计的优点在于当某个模块发生故障时系统仍然可以正常运行其输出依然可以达到额定功率。
  在N+1并联的系统中若系统输出功率为M,每个功率单元的额定功率为M/N,则在正常工作时主控器下发指令使每个单元模块输出M/N+1的功率,当某个模块发生故障时,底控和主控都会发出故障输出信号使此模块脱离系统,与此同时主控会调整下发指令使每个单元模块输出M/N的功率从而保证系统可以正常工作。   5 实验结果与分析
  功率单元的主要参数为:输入为380±5% 50HZ,输出24V、1500A,直流侧滤波电容采用4个470uf的并联,开关频率为15KHZ高频变压器的变比为18:1,隔直电容为60uf,IGBT采用SKM200GBT4,图5c为变压器一次侧与二次侧的波形,从图中可以看出电源占空比丢失不大, 图5a为单元并联后的电压电流波形。图5b为模拟故障时的波形,当其中一个模块发生故障被切除后其余模块加大输出电流使系统正常运行由此可以看出N+1冗余的设计效果还是很好的。
  6 结论
  文章设计了一种模块化的开关型电镀电源,利用DSP28335和FPGA实现了全数字化控制,单个模块为24V、1500A,采用标准化、模块化的设计可根据不同用户的要求进行模块的叠加并可以实现N+n的冗余,最终完成了功率单元的设计并且应用于5个模块并联的实验样机,实验表明本系统具有良好的智能型、可靠性、高效性。在电镀行业中有广泛的应用价值。
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  作者简介:徐祖平(1988-),男,江苏兴化人,硕士,主要从事:电力电子智能控制以及工业节能。


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