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基于单片机和PSD设计的数制化电源

发布时间:2020-07-01 02:05:18 阅读: 来源:罗茨泵厂家

摘 要: 根据单片机80C196KC和现场可编程系统器件PSD302的特性,设计了一种数制化电源装置,提供了程序框图,并对其进行了谐波分析。它是一种高性能的通用装置,可替代传统的PWM逆变电源。 随着现代工业的发展和社会进步,人类对电能种类的需求不断增加,如要求电能有多种制式:直流稳压电源、交流工频电源、中高频感应加热电源、高压电解电源等,而且需求的数量也在不断增加。要提供这些制式的电能,就要有许多不同的电源变换装置。此外,为满足各种电气设备对电源的特殊要求,也需要一些装置对电源进行变换和控制。这些装置品种繁多,其原理和构造各不相同,且一般只有有限的功能,难以相互替代。因此,设计出一种通用的电源装置,使它在原理和结构上不作改动即能提供多制式的电源,具有重要的现实意义。然而,利用60年代的晶闸管以及70年代的自关断器件(如GTR、GTO)构成的电气装置,由于器件的工作频率低下,难以逾越20kHz这一大关,因而效率较低,原材料消耗较大,并且系统的动态性能不够理想,易引起所谓的“电力公害”。80年代急速兴起的场控自关断器件(如IGBT、VDMOS、SITH、SIT、MCT等)都是集高频、高压、大电流于一身的性能优越的电压控制器件,它们的出现使得设计和制造出一种通用的电源装置成为可能。

本文引用地址:本文以数制化电压单元为基础构成电压合成器(VS),再由单片机按波形重组合技术(WRT)控制VS中各单元的电子开关(IGBT),使导通单元的电压迭加得到所需的波形,从而实现所要求的功能。

1 系统组成和原理

1.1 数制化电压单元的选取

系统的数制化电压单元按如下规律选取:

先确定最小的电压单位(如1V),并取Eo=1V作为基本单元,其次选作为高一位的单元,再次选作为更高一位的单元,……依次类推,如图1所示。若共有N位单元,则最高位单元的电压为:

需要指出的是,这些单元可以是恒定的直流电压,也可以是等宽的单向脉冲电压,甚至可以是同频同相的交流电压。这里只讨论恒定直流电压的情况。

1.2 电压波形重组合

先将拟要产生的波形分成若干个垂直条块,这些条块的宽度远小于波形的周期,可看作为具有固定幅值的矩形条块。这样给定的电压波形就可用上述的数制化单元迭加得到,如图2所示。使用二进制的单元系列不仅可减少单元数目,简化结构,而且极易利用单片机来进行控制。

1.3 主电路部分

由以上电压迭加分析可知,各数制化电压单元应串联起来,并且每个单元应串联一个可控制其导通或关断的电子开关,构成电压合成器VS。综合考虑目前电力电子器件的性能,这里选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作电子开关。这是一种电压控制型器件,其输入阻抗高、驱动电路简单、驱动功率小、开关速度高、开关损耗小;它的通态压降比VKMOS还低,特别是在大电流区段;且在1/2或1/3额定电流以下区段具有负温度系数,而在以上区段则具有正温度系数,因此在并联使用时具有自动调节电流的能力。另外,IGBT的安全工作区比GTR宽,而且还具有耐脉冲电流冲击的性能,特别适于作高频开关使用。

为了使某位数制化电压单元在关断时能给其它单元提供电流通路,每位单元在与其控制开关串联后,应再与一快速恢复二极管反向并联,如图3所示。用=1表示第i位单元被选通,=0表示关断,则AO端的电压为:

为了使装置能提供交变电压,在输出到负载之前须再加装一开关换向桥,这四个换向开关也选用IGBT,以便于控制和得到与上述一致的性能。这样当导通、关断时,输出端U点的电位高于V点电位;反之,当关断、导通时,V点的电位高于U点的电位。

1.4 单片机监控电路部分

为了简化电路、降低消耗、增强性能,本系统的监控部分主芯片拟采用80C196KC单片机和现场可编程系统器件PSD302。80C196KC是Intel公司的第二代CHMOS型真16位单片机,它在与外部设备进行数据交换和内部运算时均可采用16位操作方式,时钟频率可达16MHz以上,其控制IGBT开关的时间精度可达微秒级,速度比8位单片机快得多。它的指令系统也更加丰富,效率更高。另外,80C196KC还新增了一个外设事务服务器(Peripheral Transaction Server即PTS),大大提高了响应外设中断的速度,增强了A/D转换器的性能(10位/8位)。因此,它特别适合于要求实时处理、实时控制的系统。

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