摘 要: 根據(jù)單片機80C196KC和現(xiàn)場可編程系統(tǒng)器件PSD302的特性,設計了一種數(shù)制化電源裝置,提供了程序框圖,并對其進行了諧波分析。它是一種高性能的通用裝置,可替代傳統(tǒng)的PWM逆變電源。
關鍵詞: 電力電子器件 電源 單片機 現(xiàn)場可編程系統(tǒng)器件
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和社會進步,人類對電能種類的需求不斷增加,如要求電能有多種制式:直流穩(wěn)壓電源、交流工頻電源、中高頻感應加熱電源、高壓電解電源等,而且需求的數(shù)量也在不斷增加。要提供這些制式的電能,就要有許多不同的電源變換裝置。此外,為滿足各種電氣設備對電源的特殊要求,也需要一些裝置對電源進行變換和控制。這些裝置品種繁多,其原理和構造各不相同,且一般只有有限的功能,難以相互替代。因此,設計出一種通用的電源裝置,使它在原理和結(jié)構上不作改動即能提供多制式的電源,具有重要的現(xiàn)實意義[1]。然而,利用60年代的晶閘管以及70年代的自關斷器件(如GTR、GTO)構成的電氣裝置,由于器件的工作頻率低下,難以逾越20kHz這一大關,因而效率較低,原材料消耗較大,并且系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠理想,易引起所謂的“電力公害”[2]。80年代急速興起的場控自關斷器件(如IGBT、VDMOS、SITH、SIT、MCT等)都是集高頻、高壓、大電流于一身的性能優(yōu)越的電壓控制器件,它們的出現(xiàn)使得設計和制造出一種通用的電源裝置成為可能。
本文以數(shù)制化電壓單元為基礎構成電壓合成器(VS),再由單片機按波形重組合技術(WRT)控制VS中各單元的電子開關(IGBT),使導通單元的電壓迭加得到所需的波形,從而實現(xiàn)所要求的功能。
1 系統(tǒng)組成和原理
1.1 數(shù)制化電壓單元的選取[3]
系統(tǒng)的數(shù)制化電壓單元按如下規(guī)律選取:
先確定最小的電壓單位(如1V),并取E0=1V作為基本單元,其次選E1=2E0作為高一位的單元,再次選E2=2E1=4E0作為更高一位的單元,……依次類推,如圖1所示。若共有N位單元,則最高位單元的電壓為:
需要指出的是,這些單元可以是恒定的直流電壓,也可以是等寬的單向脈沖電壓,甚至可以是同頻同相的交流電壓。這里只討論恒定直流電壓的情況。
1.2 電壓波形重組合[1]
先將擬要產(chǎn)生的波形分成若干個垂直條塊,這些條塊的寬度遠小于波形的周期,可看作為具有固定幅值的矩形條塊。這樣給定的電壓波形就可用上述的數(shù)制化單元迭加得到,如圖2所示。使用二進制的單元系列不僅可減少單元數(shù)目,簡化結(jié)構,而且極易利用單片機來進行控制。
1.3 主電路部分
由以上電壓迭加分析可知,各數(shù)制化電壓單元應串聯(lián)起來,并且每個單元應串聯(lián)一個可控制其導通或關斷的電子開關,構成電壓合成器VS。綜合考慮目前電力電子器件的性能,這里選用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作電子開關。這是一種電壓控制型器件,其輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、開關速度高、開關損耗??;它的通態(tài)壓降比VDMOS還低,特別是在大電流區(qū)段;且在1/2或1/3額定電流以下區(qū)段具有負溫度系數(shù),而在以上區(qū)段則具有正溫度系數(shù),因此在并聯(lián)使用時具有自動調(diào)節(jié)電流的能力。另外,IGBT的安全工作區(qū)比GTR寬,而且還具有耐脈沖電流沖擊的性能,特別適于作高頻開關使用[2]。
為了使某位數(shù)制化電壓單元在關斷時能給其它單元提供電流通路,每位單元Ei在與其控制開關Si串聯(lián)后,應再與一快速恢復二極管Di反向并聯(lián),如圖3所示。用Si=1表示第i位單元被選通,Si=0表示關斷,則AO端的電壓為:
為了使裝置能提供交變電壓,在輸出到負載之前須再加裝一開關換向橋,這四個換向開關也選用IGBT,以便于控制和得到與上述一致的性能。這樣當G0G3導通、G1G2關斷時,輸出端U點的電位高于V點電位;反之,當G0G3關斷、G1G2導通時,V點的電位高于U點的電位。
1.4 單片機監(jiān)控電路部分
為了簡化電路、降低消耗、增強性能,本系統(tǒng)的監(jiān)控部分主芯片擬采用80C196KC單片機和現(xiàn)場可編程系統(tǒng)器件PSD302。80C196KC是Intel公司的第二代CHMOS型真16位單片機,它在與外部設備進行數(shù)據(jù)交換和內(nèi)部運算時均可采用16位操作方式,時鐘頻率可達16MHz以上,其控制IGBT開關的時間精度可達微秒級,速度比8位單片機快得多。它的指令系統(tǒng)也更加豐富,效率更高。另外,80C196KC還新增了一個外設事務服務器(Peripheral Transaction Server,即PTS),大大提高了響應外設中斷的速度,增強了A/D轉(zhuǎn)換器的性能(10位/8位)。因此,它特別適合于要求實時處理、實時控制的系統(tǒng)[3]。
PSD302是一種功能很強的通用外圍接口芯片,它不僅可替代單片機最小系統(tǒng)中的地址鎖存器、譯碼器和存儲器,而且可使系統(tǒng)功能和可靠性大大增強。它有19根可單獨構造的I/O引腳、兩個可編程陣列、內(nèi)部高速EPROM和SRAM等,可有四種工作模式供選擇,作輸入的引腳有效電平可編程,故它幾乎支持任何8位或16位微控制器[4]。
根據(jù)上述芯片的特性,可畫出監(jiān)控部分的電路示意圖,如圖4所示。80C196KC的 P0.0和P0.1作為內(nèi)部8通道A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端,分別檢測輸出電壓和負載電流,P0口的其它線仍可作數(shù)字輸入口用,P1口和P2.6、P2.7為準雙向口,可用于輸出監(jiān)測數(shù)據(jù)和聲光報警信號,P3、P4口用作系統(tǒng)總線。為了防止A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入端過載及增強其抗尖峰干擾的能力,應分別加裝二極管箝位電路及阻容濾波電路。PSD302構造為16位多路復用模式,PA、PB口均構造為I/O輸出,分別作為VS和換分向橋的控制驅(qū)動,PC0~PC2留作備用,或作為片選輸出信號。
2 程序流程圖
本系統(tǒng)由80C196KC的內(nèi)部定時器T0設定采樣時間間隔,T0的中斷服務程序分別采集輸出電壓和負載電流,存入PSD302的響應SRAM中。80C196KC根據(jù)采樣值與標準值的比較發(fā)出命令給PSD302,調(diào)節(jié)輸出幅值或相位。程序流程圖如圖5所示。
3 諧波分析
理論上講,利用數(shù)制化電源裝置可以產(chǎn)生任意形狀的電壓波形,但由于頻率很高時,IGBT的開關時間不可忽略,單片機系統(tǒng)的運行時間也必須加以考慮,故實際上只能得到近似的階梯狀曲線。以最常見的合成正弦電壓的情形為例來分析,并忽略二極管和IGBT的導通電壓,當VS能輸出的最高電壓與正弦電壓的峰值接近時,輸出端UV的電壓可展成傅立葉級數(shù):
成立時,可使(2N+1+1)次以內(nèi)的諧波皆為零。例如,當只有一位單元時,則觸發(fā)角α1為0.5236弧度,可使5次以內(nèi)的諧波為零;當有兩位單元時,則觸發(fā)角α1,α2,α3分別為0.2037,0.4701,0.9784弧度或0.2093,0.7318,1.4953弧度,可使9次以內(nèi)的諧波為零,而9次及以上各次諧波頻率與基波頻率相差很大,易用低通濾波器濾去。若再增加幾位電壓單元,例如共用八位,如果能選擇適當?shù)挠|發(fā)角,則513次以內(nèi)的諧波皆為零。
4 應用
由以上分析可知,通過改變單片機的控制方式,即可獲得各種各樣的電壓波形,例如用簡單的線性插值法,可實現(xiàn)輸出無級可調(diào)直流電壓,因此這種數(shù)制化電源裝置首先具有通用性,可用于交直流電機的正反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速、實驗室電源等。在輸出正弦交流電壓時,它的諧波分量比普通的PWM逆變器小得多,如不使用低通濾波器,則可消除濾波器引起的波形失真。它的控制也較簡單,可用于對電源要求較高的場合,如高精度變頻調(diào)速、不間斷電源、大功率高效D/A轉(zhuǎn)換器、多電源系統(tǒng)等,原則上可取代PWM。如果用于專門用途,只輸出一種電壓波形,則整個系統(tǒng)從硬件到軟件都可進一步優(yōu)化,以簡化設計,降低成本,提高精度,增強可靠性。
隨著科學技術的不斷進步,器件的集成度越來越高、性能越來越強、功率也越來越大,用它們設計和制造出來的各種裝置也正朝小型化、高頻化、智能化、大功率方向發(fā)展。目前500kHz的VDMOS開關電源在市場上已有售。在采用諧振開關技術時,其開關頻率可進一步提高到數(shù)兆赫至幾十兆赫,效率大于80%,出現(xiàn)了功率密度達每立方英寸30~50W的所謂“卡片式”開關電源。但VDMOS的導通電阻與U2.5成正比,限制了它在高頻中、大功率領域的應用。IGBT集MOS器件與雙極型器件的優(yōu)點于一體,得到了越來越廣泛的應用,有取代GTR和MOSFET的趨勢??梢灶A見,未來的電力電子開關器件具有導通壓降更低、開關速度更高、損耗更小等特點,與現(xiàn)代控制理論相結(jié)合的數(shù)制化電源裝置功能也將進一步增強,徹底取代PWM等也將成為必然。
參考文獻
1 何紹雄,於岳亮.電源裝置的統(tǒng)一化和數(shù)制化——波形重組合技術.上海交通大學學報,1992;26(3):1~7
2趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術基礎.北京:清華大學出版社,1995
3龔金水.PVI系列正弦波高效率逆變器.電工電能新技術. 1991(3):48-53
4孫涵芳.Intel 16位單片機.北京:北京航空航天大學出版社,1995
5許少云,李偉鵬.現(xiàn)場可編程系統(tǒng)器件PSD原理、開發(fā)與應用. 北京: 電子工業(yè)出版社,1996