专利名称：应用于电流变技术的可控数字化高压电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种应用于电流变技术的可控数字化高压电源。
技术背景清华大学研制的一款微型数控高压电源(见文献[l]董玉振，金德闻，唐锡宽，张济川.微型数控高压电源的研究.高电压技术，1994年12月第20巻第4期.)，其特点如下电源由单 片机程序控制，以小型蓄电池为能源，提供最高达2000V的电压输出，采用两个高频升压变 压器升压，每个变压器的升压比为30,通过外界控制变量变化，经AD转换传入单片机，再 由单片机经DA 口输出一模拟电压，最后经功率放大和高频开关变换电路成为高频矩形脉动电 压加于高频变压器的初级线圏，升压得到所需幅值的矩形脉冲，再经整流滤波得到所需电压。 电源开环控制，推挽式逆变，功率很小，为0.5W。西北工业大学研制的一款微型数控高压电源(见文献[2]杨俊刚.电流变颗粒相介电性能 测试方法与微型高压电源制作.西北工业大学硕士论文.P46-54.)，其特点如下以压电高压 发生器作为升压器，以6F电池供电，大大减小了电源的体积，通过可变电阻器对高压发生 器输入端电压进行连续调节控制，以得到输出连续变化的高电压，电路开环控制，最大输出 功率l,，输出电压0 10A:F。北理工大学研制的一款高压电源(见文献[3]谢峰.电流变减振器及其悬架控制系统研究. 北京理工大学硕士学位论文,2003年.P52 55.),其特点如下电路采用单端反激式DC-DC 逆变，以电视机的一体化输出变压器作为升压变压器，利用三端稳压器调节变压器输入端电 压，从而得到所需的输出电压，系统开环控制，最高输出电压狄F。湘潭大学研制的一款数控高压电源(见文献[4]刘奇元，朱石沙，王启新,魏克湘，张建春. 一种基于技术的数控高压源设计.湘潭大学自然科学学报，2004年3月第26巻第1期.)，其 特点如下电源由单片机控制，输出0 5V的模拟电压，再通过脉宽调节专用芯片SG3524来 调节尸『M信号，控制单端反激电路的占空比时间，实现对输出电压的调整，釆用电视机的 一体化行输出变压作为升压变压器，调整匝数比位1000，系统闭环控制，输出电压0 3900K 。广东茂名学院研制的是一款大范围自动调压的直流高压电源(见文献[5]王安民，栗建新， 黄崇林.大范围自动调压直流脉冲电源的研究.电力电子技术，2004年2月第38巻第1期.)， 其特点如下主要应用在电流变液阻尼减振数控机床上，电路采用两级变换结构，前级通过 单片机输出一定的模拟电压来控制脉宽调制专用芯片SG3524的尸『M输出，实现对升压变压 器输入电压的调节，第二级采用单端反激式结构进行DC-DC逆变，系统闭环控制，最大输 出电压20A:r，最大输出电流5附j，最大输出功率达到了 100『。浙江大学研制的电流变用可控高压电源(见文献[6]许沧粟，郾光明.电流变用可控高 压电源.申请专利号200410018587.5),由两路直流电压供电电路、集成脉宽调制器与继电 器组成的振荡和保护电路、逆变主电路和输出高压电的倍压整流电路组成。能够按照外部控 制信号的改变适时地响应，提供所需电压，且在电压调节过程中具有可逆性和连续性,输出电 压0 50/tr，输出电流0: 1"。从现有已公开发表或公开使用的技术的情况来看，应用于电流变技术的电源的控制方法 还需改进。上述电源基本上采用模拟控制，虽然其中一些电源系统说明利用了数字控制方法， 但是在这些结构里，主功率电路的闭环控制和故障保护都由模拟电路实现，单片机负责电路 参数和故障信号的采集，并将这些数据传到外界，同时接收外界的命令和数据，单片机没有 用于生成功率开关管所需的驱动信号的和实现相关控制算法，并不直接参与主电路的控制。
因此，这些电源只能称为"数字辅助"产品，电源的主电路控制还是传统意义上的模拟控制。 电源传统的模拟控制存在一些缺点(l)模拟控制电路由于使用大量的元器件而需要很大 空间，这些元器件本身的参数还会随着使用时间、温度和其他环境条件的变化而变动，并对 系统稳定性和响应能力造成负面影响。(2)模拟控制环路是面向一个定义范围狭窄的特定负 载。模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的参数决定的，因此无法为所有电源值或负载 点提供最优化的控制响应。如果负载变化范围宽，则很难在负载的整个变化范围内调整模拟环路。(3)模拟控制电路不易引入相关控制算法，不利于电源精度的提高。发明内容本实用新型的目的在于提供一种应用于电流变技术的可控数字化高压电源，该电源采用 数字控制电路克服了传统模拟控制电路占用空间大、系统稳定性差和响应能力差等缺点从而 确保提高高压电源的性能。本实用新型采用如下设计方案该电源由主电路结构和电源的数字控制结构两部分组成， 所述的主电路结构包括输入整流滤波电路、BUCK预稳压电路、半桥逆变升压电路、输出整流 滤波电路，输入的交流电源经整流滤波电路输入BUCK预稳压电路又经过半桥逆变升压电路、 输出整流滤波电路输出高压；电源的数字控制部分包括单片机dsPIC30F3011和键盘输入电 路、LCD液晶显示电路、PC机通讯接口、过压保护电路、驱动隔离模块、输出电压反馈电路， 键盘输入电路连接到单片机的输入端，LCD液晶显示电路连接到单片机的输出端，单片机的 通讯接口通过RS232与PC机相连接，单片机的输出连接到驱动隔离模块的输入端，驱动隔离 模块的输出端又连接到BUCK预稳压电路和半桥逆变升压电路。本实用新型由主电路结构和电源的数字控制结构两部分组成。电源的主电路结构包括输 入整流滤波电路、BUCK预稳压电路、半桥逆变升压电路、输出整流滤波电路。电源主电路采 用两级结构，第一级结构是通过BUCK电路将输入的220V市电进行降压稳压，并可以较大范 围的调压；第二级通过半桥电路逆变升压。采用二级变换结构可以取得较高的稳压精度，调 压性能也较好。电源的数字控制部分选用微芯公司生产的具有DSP功能的高级单片机 dsPIC30F3011作为控制核心，主要完成键盘输入，LCD液晶显示，调节控制主电路电压，与 PC机通讯，过压保护等功能。其显著优点 一是电源的数字控制部分选用微芯公司生产的具 有DSP功能的高级单片机dsPIC30F3011作为控制核心，并采用PID控制算法故能大大提高电 源精度；二是采用RS232与PC机通信,使用户可以很方便的在电脑上读取电压等参数。三是 电源电压根据键盘输入信号的改变可调节，电压的调节具有可逆性和连续性。
以下结合附图及实施例对本实用新型予以具体描述。
图1是本实用新型电路总体结构框图。图2是本实用新型的输入整流滤波电路及BUCK预稳压电路图。 图3是本实用新型的半桥逆变升压电路及输出整流滤波电路图。图4是本实用新型电源的数字控制部分电路图。图5是本实用新型辅助电源部分的电路图。
具体实施方式
本实用新型是这样构成的该电源由主电路结构和电源的数字控制结构两部分组成，所述的主电路结构包括输入整流滤波电路、BUCK预稳压电路、半桥逆变升压电路、输出整流滤 波电路，输入的交流电源经整流滤波电路输入BUCK预稳压电路又经过半桥逆变升压电路、输 出整流滤波电路输出高压；电源的数字控制部分包括单片机dsPIC30F3011和键盘输入电路、 LCD液晶显示电路、PC机通讯接口、过压保护电路、驱动隔离模块、输出电压反馈电路，键4 盘输入电路连接到单片机的输入端，LCD液晶显示电路连接到单片机的输出端，单片机的通 讯接口通过RS232与PC机相连接，单片机的输出连接到驱动隔离模块的输入端，驱动隔离模 块的输出端又连接到BUCK预稳压电路和半桥逆变升压电路。上述电源的主电路结构的输入整流滤波电路由熔断器Ft/S五l ，整流桥別和输入滤波电容 C105组成，其作用是获得358PM乍用的直流电压。设计中采用市电220V交流电输入，经过整 流桥51全桥整流后得到脉动的直流电压，输入滤波电解电容C105用来平滑这一直流电压， 使其脉动减小。为了去除高频电压尖峰，在铝电解电容的两端分别并联高频性能好的CBB无 感电容C106。电源的主电路结构的BUCK预稳压电路由功率开关管01(型号IRFPE60),驱动电路，反并联二极管D1 (型号MUR860),续流二级管D5 (型号MUR860)，电感12和输出滤波电容 CllO、 Clll、 C112组成，BUCK预稳压电路的作用是将整流获得的直流电压进行降压稳压，实现较大范围的调压。丄2和C110、 Clll、 C112构成ZC滤波器，D5在0关断时实现续流。和0相连接的驱动电路由栅极电阻i 103，栅压限幅电阻i 102,稳压二极管DZ1、 DZ2和二极管D2构成。及1O3用于改善0的驱动特性，Z)2用于钳位，及102、 DZ1、 Z)Z2共同实现限制gl的栅源极电压。隔离驱动器采用信号驱动器是北京落木源公司生产的^10U。和单片机dsPIC30F3011连接的驱动电路由三极管04、 05 (型号9013、 9012)， 二极管D3、 D4 (型 号SR260)，电阻及104，电容C108、 C109组成。单片机dsPIC30F3011产生的驱动脉冲控制 三极管24、 G5的通断，在^D101丄的1、 2端交替产生15V、 OV的电压，AD10U将其传输给4、 6端。根据BUCK拓扑的基本工作原理知，通过调节功率开关管0的驱动咏冲的占空比可以控制输出电压的大小，在单片机dsPIC30F3011上控制PWM2L的占空比大小即达到控制目 的。电源的主电路结构的半桥逆变升压电路由电阻及105、及106，电容C113、 C114，功率开 关管02、 03 (型号为IRFP460)，缓冲电路,二极管D14、 Z)15 ，驱动电路和高频高压变压器 r2组成。其中则5、及106和C113、 C114的作用是分压。缓冲电路由D12、及lll、 C115和 Z)13、及112、 C116组成，其作用是减少^2、 Q3开通和关断时带来的损耗。D14、 Z)15的作用是将g2、 0两端的电压钳位于输入电压。r2将初级的低电压升到所需的高电压。和22、 0相连接的驱动电路由栅极电阻及107、及108， 二极管D6、 D7,栅压限幅电阻及109、及IIO，稳 压二极管Z)Z3、 Z)Z4、 DZ5、 DZ6构成。隔离驱动器采用信号驱动器是北京落木源公司生产的D30U。和单片机dsPIC30F3011连接的驱动电路由三极管g6、 Q7、 Q8、 ， 二极管D8、 D9、 DIO、 Z)ll，电阻及113，电容C119、 C120组成。上述各元器件的作用类似于BUCK 预稳压电路中驱动电路的元器件的作用。单片机dsPIC30F3011产生的驱动脉冲控制三极管
06、 g7、 g8、 g9的通断，在^D30U的4、 5和6、 5端交替产生15V、 OV的电压，《i)301丄 将其传输给l、 2和8、 9端。根据半桥逆变拓扑的基本工作原理知，通过驱动电路的驱动脉 冲控制^2、 03的通断在r2的初级产生矩形波交流低电压，通过r2的升压在次级产生矩形波 交流高电压。电源的主电路结构的输出整流滤波电路由D16、 ￡>17、 ￡)18、 ￡>19 (型号2CL)，高频高压 电容C123,分压电路组成。Z)16、 Z)17、 D18、 D19组成整流全桥，C123用于滤波。分压电路 设计中采用的是10只1MQ，耐压1414F ，额定功率2『的电阻串联。最高输出电压为6 W ， 而dsPIC芯片的A/D采集模块最大电压只能输出5V，所以必须将采样电压控制在5V以内，这里采用5.1K的金属膜电阻为采样电阻。将100/^4的电流表头改装成电压表显示，将其和80MQ串联，满量程时，输出电压为8KV。电源的数字控制部分选用微芯公司生产的具有DSP功能的高级单片机dsPIC30F3011作为 控制核心，本设计所用到的主要控制内容有1. 利用dsPIC芯片的电平变化中断功能设计按键，可以设定电压值，并可实时修改电压 值，在设计中，将电平输入变化通知引脚(CNX)设置为输入状态，而且初始值为高电平，使 能CN引脚的弱上拉功能，这样就可以省去外部的上拉电阻。而其他四个普通I/O 口引脚(RFX) 设置为输出状态， 一直输出低电平，当有按键按下的时候，CN引脚上的电平就会从高变为低， 从而发生中断，发生中断之后再进行逐行扫瞄査键，这样既可以节省大量的cpu时间，又可 以简化外围电路的结构。通过键盘可以设置输出的电压，也可以对电源系统进行调节和管理， 所设置的电压值可以通过LCD液晶显示屏显示出来，设计中使用的是WM—C1602N，里面集成 了控制器、驱动器、显示器三个部分，因此只要把字符代码输入就可以显示出来。而LCD是 并行口输入，由于dsPIC3011的I/0口有限，因此只能通过SPI模块发送串行数据，再利用 串转并芯片74LS164将串行数据变成并行数据输入到LCD模块当中。2. 利用dsPIC芯片的CCPWM模块输出PWM波形对BUCK电路进行预稳压调压控制，利用 dsPIC芯片的MCPWM模块输出一对互补对称的PWM波形，可灵活设置死区时间，从而控制半 桥逆变器进行DC-DC逆变。dsPIC3011的PWM1L、 PWM1H输出一对互补对称的PWM波形驱动半 桥逆变升压电路的功率开关管，PWM2L输出PWM波形驱动BUCK预稳压电路的功率开关管。3. 利用dsPIC芯片的多路10位AD模块采集输出电压取样信号，根据取样电压通过PID 算法调节CCPWM的输出脉宽，调节BUCK电路的输出电压，从而控制半桥逆变电路的输入电压， 实现输出电压负反馈。电压取样电路采用隔离反馈电路，采用美国BB公司设计的IS0122隔 离放大器既完成绝缘作用又完成信号放大作用，如图2电路附图(b)所示。4. 利用dsPIC芯片UART模块与计算机进行通讯，可通过计算机信号控制电压。能实现 RS232通信的芯片很多，本设计采用的是MAXIM公司的MAX232/MAX232A接收/发送器。另外，辅助电源提供隔离驱动器XZ)101丄，^CD30U ，反馈芯片和高级单片机 dsPIC30F3011所需的电压，辅助电源由变压器，整流桥，稳压管和滤波电容构成。本实用新型工作过程如下首先，为电源接上220V的市电，然后，在键盘上设定所需的 电压的大小，此时，电压大小也在液晶模块LCD上显示。接着，控制芯片dsPIC30F3011根据 设定的电压大小产生相应的占空比数据，根据此占空比数据产生的脉冲驱动BUCK预稳压电路 处的功率开关管和半桥逆变升压电路处的功率开关管。判断采样电路釆集回来的电压，若过压则关闭驱动脉冲，即关闭电源，达到过压保护目的。若不过压，则将采样电压与设定参考 电压比较求电压误差，根据误差采用PID算法计算新的占空比值，若占空比值过大，则以设 定的最大占空比值输出；若占空比值不会过大，则根据新的占空比值修改占空比寄存器以调
节电压。电压调节在控制芯片中周而复始地循环，直到电压的误差在允许范围内。电压数据 也可以通过RS232上传到PC机中。若在工作过程中电流过大，熔断器烧毁，达到过流保护作 用。本实用新型产品的技术性能如下输入电压AC220V输出电压500V-6KV连续可调最大输出功率60W最大输入功率90W调节方式按钮调节输出电流最大10mA电路总体效率大于75%电压纹波小于1%本实用新型产品的优点及用途。 本电源优势有以下几点(1) 减少了外围元器件i量，减小了不稳定因素，系统具有较好的鲁棒性。(2) 处理器dsPIC30F30U采用PID控制算法提高了电源精度。(3) 采用RS232与PC机通信，用户可以很方便的在电脑上读取电压等参数。(4) 电源电压根据键盘输入信号的改变可调节，电压的调节具有可逆性和连续性。 电源的主要应用于电流变技术的研究和实验。
权利要求1.一种应用于电流变技术的可控数字化高压电源，其特征在于该电源由主电路结构和电源的数字控制结构两部分组成，所述的主电路结构包括输入整流滤波电路、BUCK预稳压电路、半桥逆变升压电路、输出整流滤波电路，输入的交流电源经整流滤波电路输入BUCK预稳压电路又经过半桥逆变升压电路、输出整流滤波电路输出高压；电源的数字控制部分包括单片机dsPIC30F3011和键盘输入电路、LCD液晶显示电路、PC机通讯接口、过压保护电路、驱动隔离模块、输出电压反馈电路，键盘输入电路连接到单片机的输入端，LCD液晶显示电路连接到单片机的输出端，单片机的通讯接口通过RS232与PC机相连接，单片机的输出连接到驱动隔离模块的输入端，驱动隔离模块的输出端又连接到BUCK预稳压电路和半桥逆变升压电路。
专利摘要本实用新型涉及一种应用于电流变技术的可控数字化高压电源，该电源的主电路结构包括输入整流滤波电路、BUCK预稳压电路、半桥逆变升压电路、输出整流滤波电路。电源的数字控制部分选用微芯公司生产的具有DSP功能的高级单片机dsPIC30F3011作为控制核心。本电源采用数字控制电路减少了外围元器件数量，减小了不稳定因素，系统具有较好的鲁棒性。电源的处理器dsPIC30F3011采用PID控制算法提高了电源精度。电源采用RS232与PC机通信，用户可以很方便的在电脑上读取电压等参数。电源电压根据键盘输入信号的改变可调节，电压的调节具有可逆性和连续性。
文档编号H02M7/00GK201051719SQ200720007450
公开日2008年4月23日 申请日期2007年6月26日 优先权日2007年6月26日
发明者许乔丹, 邹小勇, 陈淑梅 申请人:福州大学