圖1 系統(tǒng)組成框圖

　　綜合電源的體積、開關(guān)損耗以及系統(tǒng)抗干擾能力等多方面因素的考慮，本開關(guān)電源的開關(guān)頻率設(shè)定為30 kHZ。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　2.1 功率主電路
　　本電源功率主回路采用“AC-DC-AC—DC”變換的結(jié)構(gòu)，主要由輸入電網(wǎng)EMI濾波器、輸人整流濾波電路、高頻逆變電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路等幾部分組成，如圖2所示。

圖2 功率主電路原理圖

圖3 功軍主回路的電壓波形變化

　　在IGBT的集射極間并接RC吸收網(wǎng)絡(luò)，降低開關(guān)應(yīng)力，減小IGBT關(guān)斷產(chǎn)生的尖峰電壓；并聯(lián)二極管DQ實(shí)現(xiàn)續(xù)流的作用。二次整流采用全波整流電路，通過后續(xù)的LC濾波電路，消除高頻紋波，減小輸出直流電壓的低頻振蕩。LC濾波電路中的電容由多個(gè)高耐壓、大容量的電容并聯(lián)組成，以提高電源的可靠性，使輸出直流電壓更加平穩(wěn)。

2.2 控制電路　　控制電路部分實(shí)際上是一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制系統(tǒng)，包括對(duì)開關(guān)電源輸出端電壓、電流和IGBT溫度的檢測(cè)，對(duì)收集信息的分析和運(yùn)算處理，對(duì)電源工作參數(shù)的設(shè)置和顯示等。其控制過程主要是通過采集開關(guān)電源的相關(guān)參數(shù)，送入DSP芯片進(jìn)行預(yù)定的分析和計(jì)算，得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，通過改變輸出PWM波的占空比，送到逆變橋開關(guān)器件的控制端，從而控制輸出電壓和電流。
　　控制電路主要包括DSP控制器最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源電路、采樣電路和保護(hù)電路。
　　（1）DSP控制器最小系統(tǒng)
　　DSP控制器是其中控制電路的核心采用TMS32OLF2407A DSP芯片，它是美國(guó)TEXAS INSTU—MENTS（TI）公司的最新成員。TMS30LF2407A基于C2xLP內(nèi)核，和以前C2xx系列成員相比，該芯片具有處理性能更好（30MIPS）、外設(shè)集成度更高、程序存儲(chǔ)器更大、A／D轉(zhuǎn)換速度更快等特點(diǎn)，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級(jí)產(chǎn)品，特別適用于電機(jī)以及逆變器的控制。DSP控制器最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及鍵盤顯示電路。時(shí)鐘電路通過15 MHz的外接晶振提供；復(fù)位電路直接通過開關(guān)按鍵復(fù)位；由4×4的矩陣式鍵盤和SPRT12864M LCD構(gòu)成了電源系統(tǒng)的人機(jī)交換界面。 
（2）驅(qū)動(dòng)放大電路
　　IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用脈沖變壓器和TC4422組成，其電路原理圖如圖4所示：

圖4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖

　　TC4421／4422是Microchip公司生產(chǎn)的9A高速M(fèi)OsFET／IGBT驅(qū)動(dòng)器，其中TC4421是反向輸出，TC4422是同向輸出，輸出級(jí)均為圖騰柱結(jié)構(gòu)。

TC4421／4422具有以下特點(diǎn)：　　①輸出峰值電流大：9 A；
　　② 電源范圍寬：4.5 V～18 V；
　　③連續(xù)輸出電流大：最大2 A；
　?、芸焖俚纳仙龝r(shí)間和下降時(shí)間：30 ns（負(fù)載4700pF），180 ns（負(fù)載47000 pF）；
　　⑤傳輸延遲時(shí)間短：30 ns（典型）；
　?、薰╇婋娏餍。哼壿嫛?”輸入～200μA（典型），邏輯“0”輸入～55 μA（典型）；
　?、咻敵鲎杩沟停?.4 Ω（典型）；
　?、嚅]鎖保護(hù)：可承受1.5 A的輸出反向電流；
　　⑨輸入端可承受高達(dá)5 V的反向電壓；
　?、饽軌蛴蒚TL或CMOS電平（3 V～18 V）直接驅(qū)動(dòng)，并且輸人端采用有300 mV滯回的施密特觸發(fā)電路。
　　當(dāng)TMS320LF2407A輸出的PWM1為高電平，PWM2為低電平時(shí)，經(jīng)過TCA422驅(qū)動(dòng)放大后輸出，在脈沖變壓器一次側(cè)所流過的電流從PWMA流向PWMB，如圖4中箭頭所示，電壓方向?yàn)樯险仑?fù)。
　　根據(jù)變壓器的同名端和接線方式，則開關(guān)管Q1的柵極電壓為正，Q2的柵極電壓為負(fù)。因此，此時(shí)是驅(qū)動(dòng)QM1導(dǎo)通。反之若是PWM1為高電平，PWM2為低電平時(shí)，則是驅(qū)動(dòng)Q2導(dǎo)通。四只二極管DQ1 ～DQ2的作用是消除反電動(dòng)勢(shì)對(duì)TCA422的影響。
　　（3）輔助電源電路
　　本開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)過程中所需要的幾路工作電源如下：
　?、?TMS320LF2407 DSP所需電源：I／O 電源（3.3 V），PLL（PHSAELOCKED LOOP）電源（3.3 V），F(xiàn)IASH編程電壓（5 V），模擬電路電源電壓（3.3 V）；②TCA422芯片所需電源：電源端電壓范圍4.5～18 V（選擇15 V）；③采樣電路中所用運(yùn)算放大器的工作電源為15 V。

　　因此，整個(gè)控制電路需要提供15 V、5 V和3.3 V三種制式的電壓。設(shè)計(jì)中選用深圳安時(shí)捷公司的HAw 5-220524 AC／DC模塊將220 V、50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電，然后采用三端穩(wěn)壓器7815和7805獲得15 V和5 V的電壓。TMS320LF2407A所需的3.3 V由5 V通過TPS7333QD電壓芯片得到。

（4）采樣電路　　電壓采樣電路由三端穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器PC817之問的配合來構(gòu)成。電路設(shè)計(jì)如圖5所示，TL431與PC817一次側(cè)的LED串聯(lián)，TL431陰極流過的電流就是LED的電流。輸出電壓Ud經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)后到參考電壓UR與TL431中的2.5 V基準(zhǔn)電壓Uref進(jìn)行比較，在陰極上形成誤差電壓，使LED的工作電流 If發(fā)生變化，再通過光耦將變化的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送人LF2407A的ADCIN00引腳。

圖5 電壓采樣電路原理圖

各種故障信號(hào)經(jīng)或門CD4075B綜合后，經(jīng)光電隔離、反相及電平轉(zhuǎn)換后輸入到引腳，有任何故障時(shí)，CD4075B輸出高電平，引腳相應(yīng)被拉為低電平，此時(shí)DSP所有PWM輸出管腳全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，即封鎖PWM輸出。整個(gè)過程不需要程序干預(yù)，由硬件實(shí)現(xiàn)。這對(duì)實(shí)現(xiàn)各種故障信號(hào)的快速處理非常有用。在故障發(fā)生后，只有在人為干預(yù)消除故障，重啟系統(tǒng)后才能繼續(xù)工作?！?/span>　3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
　　為了構(gòu)建DSP控制器軟件框架，使程序易于編寫、查錯(cuò)、測(cè)試、維護(hù)、修改、更新和擴(kuò)充，在軟件設(shè)計(jì)中采用了模塊化設(shè)計(jì)，將整個(gè)軟件劃分為初始化模塊、ADC信號(hào)采集模塊、PID運(yùn)算處理模塊、PWM波生成模塊、液晶顯示模塊以及按鍵掃描模塊。各模塊問的流程如圖7所示。

圖7 軟件模塊流程圖

　　TMS320LF2407A芯片內(nèi)部集成了10位精度的帶內(nèi)置采樣／保持的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）。根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，10位ADC的精度可以滿足電壓的分辨率、電流的分辨率的控制要求，因此本設(shè)計(jì)直接利用DSP芯片內(nèi)部集成的ADC就可滿足控制精度。另外，該10位ADC是高速ADC，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到500 ns，也滿足控制對(duì)采樣周期要求。

ADC采樣模塊首先對(duì)ADC進(jìn)行初始化，確定ADC通道的級(jí)聯(lián)方式，采樣時(shí)間窗口預(yù)定標(biāo)，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)等。然后啟動(dòng)ADC采樣，定義三個(gè)數(shù)組依次存放電壓、電流和溫度的采樣結(jié)果，對(duì)每一個(gè)信號(hào)采樣8次，經(jīng)過移位還原后存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)組中，共得到3組數(shù)據(jù)。如果預(yù)定的ADC中斷發(fā)生，則轉(zhuǎn)人中斷服務(wù)程序，對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和傳輸。以電壓采樣為例，其具體的流程圖如圖8所示。

圖8 電壓采樣程序流程圖

　　開關(guān)電源在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，偏差是很小的。如果偏差e在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，控制器對(duì)這樣微小的偏差計(jì)算后，將會(huì)輸出一個(gè)微小的控制量，使輸出的控制值在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，不斷改變自己的方向，頻繁動(dòng)作，發(fā)生振蕩，這既影響輸出控制器，也對(duì)負(fù)載不利。

ADC采樣模塊首先對(duì)ADC進(jìn)行初始化，確定ADC通道的級(jí)聯(lián)方式，采樣時(shí)間窗口預(yù)定標(biāo)，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)等。然后啟動(dòng)ADC采樣，定義三個(gè)數(shù)組依次存放電壓、電流和溫度的采樣結(jié)果，對(duì)每一個(gè)信號(hào)采樣8次，經(jīng)過移位還原后存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)組中，共得到3組數(shù)據(jù)。如果預(yù)定的ADC中斷發(fā)生，則轉(zhuǎn)人中斷服務(wù)程序，對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和傳輸。以電壓采樣為例，其具體的流程圖如圖8所示。

圖8 電壓采樣程序流程圖

　　開關(guān)電源在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，偏差是很小的。如果偏差e在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，控制器對(duì)這樣微小的偏差計(jì)算后，將會(huì)輸出一個(gè)微小的控制量，使輸出的控制值在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，不斷改變自己的方向，頻繁動(dòng)作，發(fā)生振蕩，這既影響輸出控制器，也對(duì)負(fù)載不利。

為了避免控制動(dòng)作過于頻繁，消除由于頻繁動(dòng)作所引起的系統(tǒng)振蕩，在PID算法的設(shè)計(jì)中設(shè)定了一個(gè)輸出允許帶eo。當(dāng)采集到的偏差|en|≤eo時(shí)，不改變控制量，使充電過程能夠穩(wěn)定地進(jìn)行；只有當(dāng)|en| >eo 時(shí)才對(duì)輸出控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID控制模塊的程序流程如圖9所示：

圖9 PID運(yùn)算程序流程圖

圖10所示為帶死區(qū)PWM波的生成原理

3.5 鍵盤掃描及LCD顯示模塊
　　按鍵掃描執(zhí)行模塊的作用是判斷用戶的輸入，對(duì)不同的輸入做出相應(yīng)的響應(yīng)。本開關(guān)電源設(shè)計(jì)采用16個(gè)壓電式按鍵組成的矩陣式鍵盤構(gòu)成系統(tǒng)的輸入界面。16個(gè)按鍵的矩陣式鍵盤需要DSP的8個(gè)I／O口，這里選用IOPA0～I(xiàn)OPA3作為行線，IOPF0～I(xiàn)OPF3作為列線。由于TMS320LF2407A都是復(fù)用的I／O口，因此需要對(duì)MCRA和MCRC寄存器進(jìn)行設(shè)置使上述8個(gè)I／O口作為一般I／O端口使用。按鍵掃描執(zhí)行模塊采用的是中斷掃描的方式，只有在鍵盤有鍵按下時(shí)才會(huì)通過外部引腳產(chǎn)生中斷申請(qǐng)，DSP相應(yīng)中斷，進(jìn)人中斷服務(wù)程序進(jìn)行鍵盤掃描并作相應(yīng)的處理。 
　　LCD顯示模塊需要DSP提供11個(gè)I／O口進(jìn)行控制，包括8位數(shù)據(jù)線和3位控制線，數(shù)據(jù)線選用IOPB0～I(xiàn)OPB7，控制線選用IOPFO IOPF2，通過對(duì)PBDATDIR和PFDATDIR寄存器的設(shè)置實(shí)現(xiàn)DSP與LCD的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)顯示開關(guān)電源的運(yùn)行狀態(tài)。
　　4 樣機(jī)研制
　　主要技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：三相AC380 V±5% ；輸出電壓：DC220V±2% ；輸出電流：50 A；額定功率：11 kW。
　　所得試驗(yàn)樣機(jī)額定負(fù)載時(shí)的輸出波形如圖11（a）所示。由圖11（a）實(shí)際讀數(shù)可知，輸出電壓從0上升到220 V的響應(yīng)時(shí)間為1s左右，電源系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度。同時(shí)，由圖11（b）中的電壓波形局部放大圖可見，輸出電壓為220 V時(shí)，電壓波動(dòng)在2 V左右，其最大電壓波動(dòng)小于1%。

圖11 樣機(jī)額定負(fù)載時(shí)的輸出波形