大功率高频直流开关电源-直流电源电流电压表
崔壮平+罗华+陈清+谢稳
摘 要：为了满足大功率直流供电的需要，设计了一种由若干相同标准直流单元串并联组成的直流标准单元，主要对标准单元技术进行了介绍，该单元以M4和FPGA为微处理控制核心，以可控硅为功率器件。首先对标准单元的硬件结构进行了设计，着重介绍了并联时大功率回路的器件选型；接着对标准单元的软件结构和方法进行了介绍，在经典双闭环控制的基础上，提出了参数线性化控制方法，解决了PID参数自适应的问题；最后以自制的直流单元进行了实验，电流输出控制精度能够达到0.2%以上。
关键词：大功率直流电源；可控硅；移相触发；双闭环控制
中图分类号：TP23 文献标志码：A
A New High Performance and High Power DC Source Based on ARM and FPGA
CUI Zhuang-ping，LUO Hua，CHEN Qing，XIE Wen
（China International Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 414000，China）
Abstract：In order to meet the need of high power DC power supply，a DC standard unit which composed of a series of parallel units with the same standard is designed in this paper.In this paper，the standard cell technology is introduced，which takes M4 and FPGA as the core of the micro processing control.In this paper，the hardware structure of the standard unit is designed at first，and the selection of the high power circuit is introduced.Secondly，the software structure and method of the standard unit are introduced，on the basis of the classical double closed loop control，this paper puts forward the parameter linearization control method，which solves the problem of PID parameter self-adaptation.Finally，the experimental results show that the current output control precision can reach more than 0.2%.
Key words：high power DC power supply；silicon control；phase-shift trigger；double closed loop control.
引 言
大功率直流電源广泛应用于冶金、化工及科研领域，大多采用二极管或晶闸管整流。前者不便大范围平滑调节输出电流或电压，后者的模拟控制电路很难保证多台运行的大功率直流电源的输出性能，而采用数字控制能大大提高电源可靠性、一致性、精确性。因此，数字控制技术也就脱颖而出，成为大功率直流电源的最佳选择。受目前半导体开关器件水平的限制，单台大容量、兆瓦级电源技术尚不成熟，因此模块化的大功率电源系统应运而生，即多个并联运行的大功率电源模块共同为负载提供电能。
受误差的不可避免性和工艺水平的限制等因素影响，并联运行的各电源模块的参数都会存在差异，致使其外特性不尽相同，带载运行时，会导致输出电流大的电源模块热应力变大 损坏机率上升，可靠性降低，因此，在多电源模块并联运行的电源系统中必须引入有效的负载电流均流控制，防止一台或多台电源模块运行在电流极限值（限流）状态。
目前，在并联的电源系统中，实现均流控制常用的技术有，输出阻抗法、主从设置法、平均电流均流法[1]、最大电流均流法[2]、热应力自动控制法和外加均流控制器均流法等[3-5]经过比较，在此，设计了一种基于ARM和FPGA架构的直流电源，可以通过光纤方式进行并联，采用平均电流均流法和输出阻抗均流法，完成大功率直流供电，同时，为了减小整流谐波对电网的污染，采用多脉波方式进行互补并联，平均电流均流法主要应用于并联工况，输出阻抗均流法主要应用于串联工况，下面对直流电源标准单元进行详细介绍。
1 电源硬件设计
1.1 总体硬件结构
直流电源主要分为控制单元和整流回路，如图1所示，整个直流电源由若干直流标准单元回路串并联组成，单个整流回路包括整流变压器、可控硅整流回路和输出滤波回路，直流控制器从整流变压器获取同步信号，对可控硅输出移相触发信号。控制器同时从输出回路获取直流反馈电流和电压，调整移相触发角度，从而完成电源输出电流和电压的闭环控制，同时，直流控制器需要完成与其他电源的并联通信、与上位机的人机交互、通过通讯接受控制设备的控制信号，从而使电源按照用户的要求、按照实际的工况进行直流控制，那么在此处，控制器的设计极为重要，直接关系到电源输出质量。
1.2 直流控制器设计
在所有微控制器中，ARM芯片擅长事件管理，DSP芯片擅长数据处理和计算，FPGA芯片擅长逻辑控制，在实际应用中，直流控制器是一个同时需要事件管理、一定数据计算和逻辑控制的设备，因此，这里设计了如图2所示的直流控制器硬件回路，控制器以M4和FPGA芯片为核心进行设计，M4芯片自带ARM内核与DSP浮点处理器，对于整流不算复杂的事件管理和浮点数据计算极为合适，因此在此处中主要完成电源的数字量输入输出控制、完成与上位机的人机交互、完成与其他设备的连接、完成AD取样数据的处理（主要用于电源的双闭环控制），而对于可控硅的移相触发、以及与其他电源的并联，逻辑性和实时性要求极高，那么选用FPGA较为合适，在本结构中，主要利用FPGA进行同步信号提取，完成移相触发脉冲的生成，同时，由于并联成大功率电源的需求，需要完成并联通讯逻辑，保证并联的可靠性和实时性。endprint
1.3 整流变压器选择
为了降低大功率直流电源的谐波，在设计单台直流电源的时候就必须对整流变压器的选择格外重视，图3中，每个整流桥分别由2个不同联结形式的变压器提供三相电压，其中 △/Y 联结形式的变压器副边
电压与原边电压之间存30度的相位差而△/△联结形式的变压器原边输入电压与副边输出电压之间不存在相位差。在大电感负载下，若忽略整流桥换相以及直流侧的电流脉动，系统每相输入基波电流与相电压之间不存在相位差。但是，变压器的移相作用会使 2个整流桥产生的某些次数谐波之间存在相位差，若其中一个整流桥产生的某些次数谐波电流与另外一个整流桥产生的相应次数的谐波电流幅值相等、相位相反，则该次数的谐波电流将不会出现在整个系统的输入电流中，图1中2个整流桥的输入电流分别为：
i1（wt）=K2 3πcoswt-cos5wt5+cos7wt7-cos11wt11+…（1）
i2wt=K2 3πcoswt+cos5wt5-cos7wt7-cos11wt11+…（2）
iwt=i1wt+i2wt
=K4 3πcoswt-cos11wt11+… （3）
由上式可知系统输入电流中不含5次和7次谐波11次和13次谐波幅值相对于6脉波整流系统变大，输出电压由每周期6脉波变为12脉波，由此可以显著将谐波抵消，以此类推，采用18或者24脉方式，将各小直流电源的整流变选成不同角度输出，将可以大大减小并联形成的大功率电源谐波。
2 电源软件设计
2.1 总体软件设计
直流电源的关键在于直流控制器，直流控制器性能的好坏对电源起了决定性作用，基于上面提出的基于M4和FPGA的控制器结构，提出如图4所示的软件结构，主要分为M4的嵌入式程序及FPGA的硬件逻辑。
主要包括：
（1）整流控制器通讯处理程序：主要进行人机交互，并接受其他控制器的控制指令，为直流控制器对外的主要接口；
（2）直流逻辑控制程序：主要进行整流工艺的逻辑处理，完成直流的数字量输入输出控制；
（3）交流及直流电参数反馈计算程序：主要进行交流参数取样及计算，获取交流侧信息进行电源保护，进行直流参数取样及计算，作为闭环控制的反馈；
（4）直流双闭环控制：主要实现直流输出的闭环控制；
（5）同步信号提取逻辑：主要实现交流同步信号的锁相；
（6）移相触发逻辑：主要用于根据控制器双闭环输出的角度实现触发信号生成；
（7）脉冲调制输出逻辑：用于实现触发脉冲的调制输出，用以驱动可控硅；
（8）光纤通讯逻辑：主要用于实现控制器之间并联通讯，实现多脉波整流。
2.2 双闭环控制技术设计
直流电源的输出精度主要依赖于控制算法，此处，直流控制采用了如图所示的经典双闭环控制，内环为电流环，外环为电压环，电压环的输出为电流环的给定，电流环的输出为可控硅移相触发角（输出范围为0-120度）。
无论内环还是外环，均采用工程常用的PID控制，理论公式如（4）所示，进行离散化后，位置式的PID如（5）所示，控制步长根据实际情况进行选择，一般外环的控制周期需要远远大于内环周期，保证双闭环控制的稳定性，实际实现过程中，位置式的PID并不具有太明确的物理含义，因此选择增量式的PID控制，如（6）所示。
ut=Kpet+1Ti∫etdt+Tddetdt（4）
uk=Kpek+Ki∑kj=0e（j）+Kd[ek-e（k-1）]]（5）
uk=uk-uk-1
=Kpek+Kie（k）+Kd[ek-e（k-1）]] （6）
2.3 线性化控制技术
对于直流控制而言，可控输出的唯一量为移相触发角，而对于直流控制器而言，实际需要得到的控制对象为电压或者电流，那么我们首先需要了解移相触发角和电压的关系，如公式（7）和（8）所示，移相触发角和电压之间为分段三角函数关系，那么就决定了双闭环控制的PID参数存在非线性，一组固定的PID参数对于控制器的控制作用在不同输出下会有不同效果，比如调整PID在30度输出时具有最佳精度，当控制器需要控制在60度时，这组参数带来的控制精度将会下降。
Ud=62π∫2π3+απ3+α 3× 2U2sinwtdwtα≤601π/3∫ππ3+α 3× 2U2sinwtd（wt）α>60（7）
Ud=2.34U2cosαα≤602.34U21+cosπ3+αα>60（8）
为了保证输出控制的一致性，应该对PID输出量做线性化处理，假定PID输出为电压，那么，在每次PID控制输出后都需要进行一次移相角计算，即为（8）式的反函数：
α=arccos Uk2.34U2α≤60arccosUk2.34U2-1-π3α>60（9）
这样，经过增量式PID控制输出后，采用（9）进行计算，再来调整PID参数，都可以得到最佳值。
2.4 标准单元串并联均流控制
控制單元之间通过光纤并联，由FPGA实现光纤并联的控制逻辑，实现各控制器之间的同步协调控制，对于并联实现大电流工况，采用平均电流法，各整流回路独立完成平均电流大小控制；对于串联实现大电压的工况，采用负载均流法，各单元采用相同的整流移相角控制，由负载自动完成均流作用。
3 结 果
以上述结构为基础，设计了如图7所示整流单元，其中，控制器部分，考虑到整流一般为工业用途，因此选择恩智浦LPC4000系列的M4芯片LPC4088FET208作为事件管理及控制MCU，考虑到整流控制的逻辑较为简单，为了节约成本，选择Altera的低端FPGA—EP1C3T144C8，根据控制器的需要，将控制板分成了模拟取样、数字量IO、通讯、同步和脉冲放大等部分。完成了图中的控制部分，功率部分安装于控制单元内部，并配以相应的散热、电器回路，即完成电源的基本单元。
之后，我们以该标准单元为基础，进行了直流电源电流输出能力测试，得到了如表1和表2所示结果，可以发现，新型直流控制器的纯电流环控制精度误差可以控制在0.2%以内，电压外环及电流内环同时作用下，电压控制精度，仍然可以达到0.5%。
参考文献
[1] 符赞宣，瞿文龙，张旭.平均电流模式DC/DC变换器均流控制方法[J].清华大学学报，2003，43（3）：337-340.
[2] 王宇飞.基于最大均流法DC/DC变换器并联系统研究[D].北京：中国科学院研究生院，2004.
[3] 王正国.DC/DC 变换器并联均流技术研究[D].成都：西南交通大学，2007.
[4] 张军明，谢小高，吴新科，等.DC/DC模块有源均流技术研究[J].中国电机工程学报，2005，25（19）：31-36.
[5] 袁姗姗.中小功率DC/DC模块并联均流方案的优选及实现的研究[D].杭州：浙江大学，2006.endprint
