一种全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源及其控制方法

摘要

本发明公开了一种范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源及其控制方法，该直流高压高频开关电源包括三相交流整流滤波电路、全桥逆变电路、高频隔离变压器、AC‑DC模块、第一微处理器、驱动电路、PSM电源控制系统和信号隔离取样电路；三相交流电源经三相整流滤波电路连接全桥逆变电路，全桥逆变电路连接至59个相同的高频隔离变压器的初级，各高频隔离变压器输出连接各AC‑DC模块，AC‑DC模块包含用于控制直流电压是否叠加串联输出的场效应管，PSM电源控制系统通过59根光纤连接控制59个AC‑DC模块；本发明所述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源及其控制方法具有电压控制精度高、体积小、功率密度大、维护方便、可多种模式输出、波形前沿时间可调、可操控性强等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及直流高压高频开关电源领域，尤其涉及一种全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源及其控制方法。

背景技术

在一些场合，如微波产生，绝缘测试，气体放电应用等，需要高压电源输出电压能大范围可调节、可调制、稳定输出。

为达到这些要求，目前国内外有关装置有两种方法。第一种方法将整个电源设计成两个部分：前级高压电源平台和调制器；前级高压电源使用晶闸管交流调压、变压器升压和二极管整流方案。调制器使用真空四极管，工作在放大状态，改变栅极电压来改变输出电压以及波形前沿时间；或者利用NPN和PNP晶体管构成单电源互补对称功率放大模块，并结合均压电路，让多个模块依次串联起来设计调制器，使用给定电压和反馈电压形成的误差电压放大后隔离驱动各模块，从而达到改变输出电压的目的。第二种方法是使用多绕组工频变压器，经整流滤波后，经全控固态开关器件，并利用脉冲步进控制技术（Pulse step modulation，PSM ），实现多模块串联供电技术。

然而，使用上述方法设计的设备，存在的不足之处是：整个装置体积大、功率密度低、或模拟控制，不能实现全数字化控制，调制频率低于1kHz；多绕组工频变压器，绝缘工艺要求高、成本高。优点是多模块串联供电技术对开关器件的一致性要求低。

发明内容

本发明所要实现的目的是：提供一种具有电压控制精度高、体积小、功率密度大、维护方便，可多种模式调制输出、全数字化操控，输出波形前沿时间可调整等优点的直流高压电源。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：使用高频开关电源逆变技术与PSM技术结合设计一种全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源，包括三相交流电源、整流滤波电路、全桥逆变电路、高频隔离变压器、AC-DC模块（SM）、第一微处理器（DSP1）、PSM电源控制系统、输出电压采集电路和输出电流采集电路；

其特征在于：三相交流电源输出连接整流滤波电路，整流滤波电路连接全桥逆变电路，全桥逆变电路的输出两端（A端、B端）输出连接至59个相同的高频隔离变压器的初级，各高频隔离变压器的次级输出连接各AC-DC模块（SM），AC-DC模块（SM）包含场效应管、光纤接收电路，用于接收第二微处理器（DSP2）发出的光控制信号，控制直流电压是否叠加串联输出，第一个AC-DC模块（SM1）的整流滤波直流电压反馈连接第一微处理器（DSP1），第一微处理器（DSP1）采集这个直流电压控制前级全桥逆变器实现59个AC-DC模块的恒压功能；PSM电源控制系统包括第二微处理器（DSP2）、光纤、以太网模块、路由器等，第二微处理器（DSP2）通过59根光纤控制连接59个AC-DC模块（SM），第二微处理器（DSP2）的外接串口依次连接以太网模块、路由器和上位PC机。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源的进一步说明，所述前58个AC-DC模块中的场效应管导通与关断通过光纤(S1-S58)隔离控制；所述第59级AC-DC模块（SM59）中的整流滤波电路后面使用Buck降压电路，并直接由第二微处理器（DSP2）输出高频PWM信号通过光纤对其进行控制。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源的进一步说明，为了保证控制系统能够进行快速的故障响应，PSM电源控制系统还连接有远程中控故障检测系统、数据采集系统和通讯系统，远程中控故障检测系统通过光纤对第二微处理器（DSP2）进行开关量监测，数据采集系统对输入及输出电压、电流进行数据采集，通讯系统并与触摸屏、负载系统中控状态等众多信号进行数据通讯。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源的进一步说明，由于第二微处理器（DSP2）的IO口数量有限，且每个IO之间要延时控制，无法通过59个IO口一对一直接控制59个模块，经优化，前30个模块分成三组，每组10个模块，分别由3个IO口控制， 第31级模块到第59模块分别由29个IO独立进行控制，59个模块控制就只需32个IO口。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源的进一步说明，所述第一微处理器（DSP1）和第二微处理器（DSP2）均采用芯片TMS320F2812作为主控，其中，第一微处理器（DSP1）控制前级全桥逆变器实现恒压及输入直流母线直流电压监测， 第二微处理器（DSP2）实现后级59个模块的总的输出电压的稳定及调制输出等功能。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源的进一步说明，其控制方法是：1)把六个电压值放到控制输出电压数组Voltage[6]，用作参考电压，六个电平时间放到一个控制当前电平的输出时间数组Time[6]，在本地控制或远程控制时，通过改变这12个数值就可以改变当前输出电压的波形；2)输出电压经过分压电阻进行分压之后，与参考电压(从数组Voltage[6]中取出)进行比较，比较之后产生的误差电压与每个模块的基准电压（本发明取600V）相除，并进行取余和取商运算，商数决定输出模块的分布方式，然后打开相应的模块；余数为决定控制第59个模块（SM59）的PWM信号的占空比。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源控制方法的进一步说明，为了满足系统的快速响应时间，通过建立输出模块与时间控制表以及IO端口之间的关系，查询当前DSP2端口的控制时间输出值，从而控制相应的模块导通与关断；在实际应用中使用TMS320F2812芯片中Port A、B、E、F这四个端口中的32个引脚，其中第59个模块使用PORTA中的一个PWM引脚。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源控制方法的进一步优化说明，由于PSM电源各模块在带载与不带载状态下快速转化，按照常规顺序控制，同一个IO口控制的十个模块与9个独立IO口控制的模块之间相邻切换时会产生很大的尖峰脉冲。这种脉冲尖峰非常不利于整个电源系统的稳定与电磁兼容；为了改变这种状况，使用优化控制策略为：当输出电压V0＜12kV时，开通31-50级中相应的模块；当12kV＜V0＜18kV时，开通1-10级模块，及31-50级中相应的模块；当18kV＜V0＜24kV时，开通1-20级，及31-50级中相应的模块；当输出电压24kv＜V0时，开通1-30级，及31-59级中相应的模块（其中V0为输出电压）。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源控制方法的进一步优化说明，输出电压波形可以有三种模式：单脉冲模式、多脉冲调制模式和六电平预置模式。单脉冲模式指输出一个脉冲，时间长度任意；多脉冲调制模式指输出占空比0-1之间和频率可改变的调制波形，本项目的调制频率不低于10kHz。六电平预置模式指将一个波形的周期分为六个阶段，不同的阶段的时间及电压大小容易设定，时间长度不限。

工作原理：本发明所述的全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源，工作时，三相交流电经过整流滤波电路整流滤波，再经过全桥逆变电路变成频率约几十kHz、幅值约540V的高频交流电压，此高频交流电压由A、B两点间输出至59个相同的高频变压器的初级，经升压、整流滤波之后得到直流电压，即59个变压器初级并联，它们的次级经AC-DC模块（SM）后，由每个模块中的场效应管控制直流电压是否叠加串联输出。

由于59个模块都一样，所以各模块的输出电压都通过反馈第一个模块（SM1）的整流滤波后的直流电压（Vdc）来实现电压闭环稳定，各模块电压稳定在600V。前58个模块中的场效应管导通与关断控制，通过光纤(S1-S58)隔离控制；如果相应的模块接收到光信号，该模块就输出电压就叠加到总的输出电压上，从而可以实现输出电压为600V的整数倍幅度改变和调制输出，此时模块中后面的并联二极管处于阻断状态；如果相应的模块没有接收到光纤信号，二极管导通并处于串联在输出回路中。不同位置的模块由于调制而处于空载和带载状态之间的转换，实际上输出的电压在前沿存在尖峰问题和幅度的变化，为了解决这个问题，在第59级模块（SM59）上，整流滤波后面使用Buck降压电路，直接由第二微处理器（DSP2）输出高频PWM信号通过光纤对其进行控制，该模块的输出电压能在0到600V间可调，满足输出电压调节精度小于100V的控制指标。

有益效果：本发明所述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源及其控制方法具有电压控制精度高、体积小、维护方便、可操控性强的优点，同时，可输出单脉冲模式、多脉冲调制模式和六电平预置模式。

附图说明

图1为本发明的总体结构图；

图2为本发明PSM电源控制系统结构图；

图3为控制流程图；

图4为前沿控制流程图；

图5为前沿控制效果波形图；

图6为三种模式输出波形示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图及工作原理，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；实施例中所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本实例具体应用于电子回旋管阳极高压电源中，输出参数为35kV/200mA。

一种全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源，(其总体结构如图1所示），包括三相交流电源、整流滤波电路、全桥逆变电路、高频变压器、AC-DC模块（SM）、第一微处理器（DSP1）和PSM电源控制系统；三相交流电源输出连接整流滤波电路，整流滤波电路连接全桥逆变电路，全桥逆变电路的输出两端（A端、B端）输出连接至59个相同的高频变压器的初级，各高频变压器的次级输出连接各AC-DC模块（SM），AC-DC模块（SM）包含场效应管，用于控制直流电压是否叠加串联输出，第一个AC-DC模块（SM1）反馈连接第一微处理器（DSP1），第一微处理器DSP1控制前级全桥逆变器实现恒压；PSM电源控制系统（如图2所示）包括第二微处理器（DSP2）、光纤、以太网模块、路由器和PC机，第二微处理器（DSP2）通过59根光纤控制连接59个AC-DC模块（SM），第二微处理器（DSP2）的外接串口依次连接以太网模块、路由器和PC机；所述前58个AC-DC模块中的场效应管导通与关断通过光纤(S1-S58)隔离控制；所述第59级AC-DC模块（SM59）中的整流滤波电路后面使用Buck降压电路，并直接由第二微处理器（DSP2）输出高频PWM信号通过光纤对其进行控制；所述前58个AC-DC模块中的场效应管导通与关断通过光纤(S1-S58)隔离控制；所述第59级AC-DC模块（SM59）中的整流滤波电路后面使用Buck降压电路，并直接由第二微处理器（DSP2）输出高频PWM信号通过光纤对其进行控制；所述第一微处理器（DSP1）和第二微处理器（DSP2）均采用芯片TMS320F2812作为主控，其中，第一微处理器（DSP1）控制前级全桥逆变器实现恒压， 第二微处理器（DSP2）实现后级59个模块的稳压及调制输出等功能。

作为上述实施方式的进一步说明，为了保证控制系统能够进行快速的故障响应，PSM电源控制系统还连接有远程中控故障检测系统、数据采集系统和通讯系统，远程中控故障检测系统通过光纤对第二微处理器（DSP2）进行开关量监测，数据采集系统对输入及输出电压、电流进行数据采集，通讯系统并与触摸屏、中控状态等众多信号进行数据通讯。

作为上述实施方式的进一步说明，由于第二微处理器（DSP2）的IO口数量有限，且每个IO之间要延时控制，无法通过59个IO口一对一直接控制59个模块，经优化，前30个模块分成三组，每组10个模块，分别由3个IO口控制， 第31级模块到第59模块分别由29个IO独立进行控制，59个模块控制就只需32个IO口。

上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源的控制方法，如下：

1)把六个电压值放到控制输出电压数组Voltage[6]，用作参考电压，六个电平时间放到一个控制当前电平的输出时间数组Time[6]，在本地控制或远程控制时，通过改变这12个数值就可以改变当前输出电压的波形；

2) 输出电压经过分压电阻进行分压之后，与参考电压进行比较，这里的参考电压从前文中提到的数组Voltage[6]中取出，比较之后产生的误差电压与600相除，并进行取余和取商运算，商数决定输出模块的分布方式，然后打开相应的模块。余数为决定控制第59个模块（SM59）的PWM信号的占空比。

对应于上述控制方法，其控制流程图如图3所示。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源的控制方法的进一步说明，由于PSM电源各模块在带载与不带载状态下快速转化，按照常规顺序控制，同一个IO口控制的十个模块与9个独立IO口控制的模块之间相邻切换时会产生很大的尖峰脉冲。这种脉冲尖峰非常不利于整个电源系统的稳定与电磁兼容；为了改变这种状况，使用优化控制策略为：当输出电压V0＜12kv时，开通31-50级中相应的模块；当12kv＜V0＜18kv时，开通1-10级模块，及31-50级中相应的模块；当18kv＜V0＜24kv时，开通1-20级，及31-50级中相应的模块；当输出电压24kv＜V0时，开通1-30级，及31-59级中相应的模块（其中V0为输出电压）。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源的控制方法的进一步说明，为了满足系统的快速响应时间，通过建立输出模块与时间控制表以及IO端口之间的关系，查询当前DSP端口的控制时间输出值，从而控制相应的模块导通与关断。在实际应用中使用了TMS320F2812芯片中Port A、B、E、F这四个端口中的32个引脚，模块59使用了PORTA中的一个PWM引脚。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源控制方法的进一步说明，为了满足不同负载系统的特殊要求，防止过快的电压变化造成回旋管内部的电弧，在控制流程中加入了波形前沿控制功能(如图4所示)，其中，延时时间范围约为0μs到3ms、最大步进为100μs。该控制方法不仅可以满足不同系统对电磁兼容性的要求，同时也能用来检测系统中是否有单个模块已经损坏，其前沿控制实际测试效果波形图(如图5所示)，图5中一共有30个台阶，左边三个台阶代表输出的30级模块，右边27个台阶代表27级输出模块，所以一共有57个模块电压输出。如果打开的模块个数与输出的台阶不对应，就表示相应模块损坏。

作为上述全范围可变可调制波形前沿可变的直流高压高频开关电源控制方法的进一步优化说明，输出电压波形可以有三种模式(如图6所示)：单脉冲模式、多脉冲调制模式和六电平预置模式。单脉冲模式指输出一个脉冲，时间长度任意；多脉冲调制模式指输出占空比0-1之间和频率可改变的调制波形，本项目的调制频率不低于10kHz。六电平预置模式指将一个波形的周期分为六个阶段，不同的阶段的时间及电压大小容易设定，时间长度不限。