1 引言
模塊化分布式電源較傳統(tǒng)集中供電系統(tǒng)具有可靠性高、效率高、體積小、使用方便等特點(diǎn)，但需配以可靠的均流措施保證模塊間電應(yīng)力和熱應(yīng)力均勻分配。本文提出一種模塊化大功率直流電源，單個(gè)電源模塊以DSP為核心，采用高頻開關(guān)功率變換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多模塊并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)壓和均流。
2 電源整體設(shè)計(jì)
以直流22 V～30 V的電壓調(diào)節(jié)范圍、4 kW功率的電源為基本模塊，采用PWM控制方式，通過改變PWM的占空比來控制輸出。基本模塊的主電路采用半橋拓?fù)?；而控制電路則以TMS320LF2407A為核心，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、限流、均流功能，以保護(hù)電路包括輸入電壓檢測(cè)、輸出過流檢測(cè)、輸出過壓檢測(cè)和整機(jī)過熱檢測(cè)等。
3 基本模塊的硬件設(shè)計(jì)
電源模塊電路原理如圖1所示。由于半橋結(jié)構(gòu)中原邊開關(guān)管的電壓應(yīng)力最小，因此對(duì)于離線式開關(guān)電源。電路中L1為電路主濾波電感，電感量較大；L2為輔助電感，電感量較小，主要用于進(jìn)一步減小輸出開關(guān)噪聲。
單個(gè)電源模塊的額定功率為4 kW，額定輸出電壓為28 V，考慮到過載問題，實(shí)際輸出電流最大值為150 A。根據(jù)變壓器原邊和副邊功率相等，估算流經(jīng)功率模塊的電流。考慮三相交流電源電壓在±15％范圍內(nèi)波動(dòng)，以最小輸入電壓計(jì)算，半橋變換器變壓器原邊繞組電壓為230 V，則流過變壓器原邊繞組，也就是功率模塊的最大電流為18.3 A，功率模塊受到的反壓為三相整流電壓；以三相交流電壓的最大值計(jì)算電壓為618 V，為保證器件可靠工作，其電源模塊的額定電流是工作電流的2倍以上。因此，選用三菱公司的IGBT模塊CM100DY-24NF，其額定電流為100 A，耐壓為1 200 V，采用兩單元半橋結(jié)構(gòu)。
控制電路主要由TMS320LF2407A子系統(tǒng)、A／D輸入、調(diào)壓、上電保護(hù)等電路組成。其中TMS320-LF2407A子系統(tǒng)主要包括時(shí)鐘、復(fù)位、JTAG仿真接口和供電系統(tǒng)。
4 TMS320LF2407A的軟件設(shè)計(jì)
TMS320LF2407A DSP作為電源模塊的控制核心，通過改變輸出PWM的占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、均流等功能。主程序在完成系統(tǒng)初始化、A／D初始化、定時(shí)器開啟后就處于等待中斷狀態(tài)，各功能模塊通過中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)。
4.1 穩(wěn)壓功能的軟件設(shè)計(jì)
傳感器輸出電壓信號(hào)，經(jīng)濾波、采樣后，與給定電壓信號(hào)相比較，將其偏差送至PID調(diào)節(jié)器，改變PWM的占空比，使輸出電壓保持恒定。其中PID調(diào)節(jié)器采用將模擬PID控制規(guī)律離散化并加以改進(jìn)的增量式PID控制算法，控制簡(jiǎn)單、參數(shù)易于整定，只需前后3次測(cè)量偏差，即可以求出占空比的控制增量。
4.2 均流功能的軟件設(shè)計(jì)
對(duì)于若干個(gè)電源模塊并聯(lián)的電源系統(tǒng)有多種方法實(shí)現(xiàn)均流功能，如輸出阻抗法、主從均流法、自動(dòng)均流法，民主均流法等。該電源系統(tǒng)模塊采用自動(dòng)均流法(又稱外加均流控制器法)，這種方法需用一根帶寬較窄的通信線(稱為均流母線)連接各模塊。均流母線電壓與各模塊電流的平均值成正比。本電源系統(tǒng)模塊以TMS320LF2407A同時(shí)作為穩(wěn)壓和均流的控制器，將平均值自動(dòng)均流法加以改進(jìn)，通過環(huán)流誤差和負(fù)載電流的采樣數(shù)據(jù)計(jì)算平均電流并設(shè)定均流閾值，每個(gè)電源模塊根據(jù)各自負(fù)載電流和環(huán)流的具體數(shù)值決定是否參與均流，這樣可以精確實(shí)現(xiàn)均流，同時(shí)還避免了自動(dòng)均流法易于出現(xiàn)故障和不穩(wěn)定問題。圖2所示為均流子程序的流程圖。
5 結(jié)束語
除上述設(shè)計(jì)，為保證電源的可靠高效工作，本模塊化電源系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了浪涌電流抑制電路、廣義軟開關(guān)——吸收電路、保護(hù)電路，并對(duì)主電路和控制電路設(shè)計(jì)了防電磁干擾。最終研制了系列直流電源四臺(tái)。輸入電壓為三相三線交流380 V。輸出電壓為直流28 V，額定容量分別為4 kW、8 kW(均流誤差<2％)、16 kW(均流誤差<3％)、24 kW(均流誤差<5％)。
現(xiàn)以TMS320LF2407A DSP為控制核心，實(shí)現(xiàn)了多模塊并聯(lián)運(yùn)行大功率數(shù)字化直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試和實(shí)際使用，電源工作穩(wěn)定，穩(wěn)壓和均流效果良好，達(dá)到了預(yù)期的要求。