本發(fā)明涉及直流高壓高頻開關(guān)電源領(lǐng)域，尤其涉及一種全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源及其控制方法。

背景技術(shù)：

在一些場合，如微波產(chǎn)生，絕緣測試，氣體放電應(yīng)用等，需要高壓電源輸出電壓能大范圍可調(diào)節(jié)、可調(diào)制、穩(wěn)定輸出。

為達(dá)到這些要求，目前國內(nèi)外有關(guān)裝置有兩種方法。第一種方法將整個(gè)電源設(shè)計(jì)成兩個(gè)部分：前級高壓電源平臺和調(diào)制器；前級高壓電源使用晶閘管交流調(diào)壓、變壓器升壓和二極管整流方案。調(diào)制器使用真空四極管，工作在放大狀態(tài)，改變柵極電壓來改變輸出電壓以及波形前沿時(shí)間；或者利用NPN和PNP晶體管構(gòu)成單電源互補(bǔ)對稱功率放大模塊，并結(jié)合均壓電路，讓多個(gè)模塊依次串聯(lián)起來設(shè)計(jì)調(diào)制器，使用給定電壓和反饋電壓形成的誤差電壓放大后隔離驅(qū)動各模塊，從而達(dá)到改變輸出電壓的目的。第二種方法是使用多繞組工頻變壓器，經(jīng)整流濾波后，經(jīng)全控固態(tài)開關(guān)器件，并利用脈沖步進(jìn)控制技術(shù)（Pulse step modulation，PSM ），實(shí)現(xiàn)多模塊串聯(lián)供電技術(shù)。

然而，使用上述方法設(shè)計(jì)的設(shè)備，存在的不足之處是：整個(gè)裝置體積大、功率密度低、或模擬控制，不能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制，調(diào)制頻率低于1kHz；多繞組工頻變壓器，絕緣工藝要求高、成本高。優(yōu)點(diǎn)是多模塊串聯(lián)供電技術(shù)對開關(guān)器件的一致性要求低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要實(shí)現(xiàn)的目的是：提供一種具有電壓控制精度高、體積小、功率密度大、維護(hù)方便，可多種模式調(diào)制輸出、全數(shù)字化操控，輸出波形前沿時(shí)間可調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)的直流高壓電源。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：使用高頻開關(guān)電源逆變技術(shù)與PSM技術(shù)結(jié)合設(shè)計(jì)一種全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源，包括三相交流電源、整流濾波電路、全橋逆變電路、高頻隔離變壓器、AC-DC模塊（SM）、第一微處理器（DSP1）、PSM電源控制系統(tǒng)、輸出電壓采集電路和輸出電流采集電路；

其特征在于：三相交流電源輸出連接整流濾波電路，整流濾波電路連接全橋逆變電路，全橋逆變電路的輸出兩端（A端、B端）輸出連接至59個(gè)相同的高頻隔離變壓器的初級，各高頻隔離變壓器的次級輸出連接各AC-DC模塊（SM），AC-DC模塊（SM）包含場效應(yīng)管、光纖接收電路，用于接收第二微處理器（DSP2）發(fā)出的光控制信號，控制直流電壓是否疊加串聯(lián)輸出，第一個(gè)AC-DC模塊（SM1）的整流濾波直流電壓反饋連接第一微處理器（DSP1），第一微處理器（DSP1）采集這個(gè)直流電壓控制前級全橋逆變器實(shí)現(xiàn)59個(gè)AC-DC模塊的恒壓功能；PSM電源控制系統(tǒng)包括第二微處理器（DSP2）、光纖、以太網(wǎng)模塊、路由器等，第二微處理器（DSP2）通過59根光纖控制連接59個(gè)AC-DC模塊（SM），第二微處理器（DSP2）的外接串口依次連接以太網(wǎng)模塊、路由器和上位PC機(jī)。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源的進(jìn)一步說明，所述前58個(gè)AC-DC模塊中的場效應(yīng)管導(dǎo)通與關(guān)斷通過光纖(S1-S58)隔離控制；所述第59級AC-DC模塊（SM59）中的整流濾波電路后面使用Buck降壓電路，并直接由第二微處理器（DSP2）輸出高頻PWM信號通過光纖對其進(jìn)行控制。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源的進(jìn)一步說明，為了保證控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行快速的故障響應(yīng)，PSM電源控制系統(tǒng)還連接有遠(yuǎn)程中控故障檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)，遠(yuǎn)程中控故障檢測系統(tǒng)通過光纖對第二微處理器（DSP2）進(jìn)行開關(guān)量監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對輸入及輸出電壓、電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通訊系統(tǒng)并與觸摸屏、負(fù)載系統(tǒng)中控狀態(tài)等眾多信號進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源的進(jìn)一步說明，由于第二微處理器（DSP2）的IO口數(shù)量有限，且每個(gè)IO之間要延時(shí)控制，無法通過59個(gè)IO口一對一直接控制59個(gè)模塊，經(jīng)優(yōu)化，前30個(gè)模塊分成三組，每組10個(gè)模塊，分別由3個(gè)IO口控制， 第31級模塊到第59模塊分別由29個(gè)IO獨(dú)立進(jìn)行控制，59個(gè)模塊控制就只需32個(gè)IO口。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源的進(jìn)一步說明，所述第一微處理器（DSP1）和第二微處理器（DSP2）均采用芯片TMS320F2812作為主控，其中，第一微處理器（DSP1）控制前級全橋逆變器實(shí)現(xiàn)恒壓及輸入直流母線直流電壓監(jiān)測， 第二微處理器（DSP2）實(shí)現(xiàn)后級59個(gè)模塊的總的輸出電壓的穩(wěn)定及調(diào)制輸出等功能。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源的進(jìn)一步說明，其控制方法是：1)把六個(gè)電壓值放到控制輸出電壓數(shù)組Voltage[6]，用作參考電壓，六個(gè)電平時(shí)間放到一個(gè)控制當(dāng)前電平的輸出時(shí)間數(shù)組Time[6]，在本地控制或遠(yuǎn)程控制時(shí)，通過改變這12個(gè)數(shù)值就可以改變當(dāng)前輸出電壓的波形；2)輸出電壓經(jīng)過分壓電阻進(jìn)行分壓之后，與參考電壓(從數(shù)組Voltage[6]中取出)進(jìn)行比較，比較之后產(chǎn)生的誤差電壓與每個(gè)模塊的基準(zhǔn)電壓（本發(fā)明取600V）相除，并進(jìn)行取余和取商運(yùn)算，商數(shù)決定輸出模塊的分布方式，然后打開相應(yīng)的模塊；余數(shù)為決定控制第59個(gè)模塊（SM59）的PWM信號的占空比。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源控制方法的進(jìn)一步說明，為了滿足系統(tǒng)的快速響應(yīng)時(shí)間，通過建立輸出模塊與時(shí)間控制表以及IO端口之間的關(guān)系，查詢當(dāng)前DSP2端口的控制時(shí)間輸出值，從而控制相應(yīng)的模塊導(dǎo)通與關(guān)斷；在實(shí)際應(yīng)用中使用TMS320F2812芯片中Port A、B、E、F這四個(gè)端口中的32個(gè)引腳，其中第59個(gè)模塊使用PORTA中的一個(gè)PWM引腳。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源控制方法的進(jìn)一步優(yōu)化說明，由于PSM電源各模塊在帶載與不帶載狀態(tài)下快速轉(zhuǎn)化，按照常規(guī)順序控制，同一個(gè)IO口控制的十個(gè)模塊與9個(gè)獨(dú)立IO口控制的模塊之間相鄰切換時(shí)會產(chǎn)生很大的尖峰脈沖。這種脈沖尖峰非常不利于整個(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定與電磁兼容；為了改變這種狀況，使用優(yōu)化控制策略為：當(dāng)輸出電壓V0＜12kV時(shí)，開通31-50級中相應(yīng)的模塊；當(dāng)12kV＜V0＜18kV時(shí)，開通1-10級模塊，及31-50級中相應(yīng)的模塊；當(dāng)18kV＜V0＜24kV時(shí)，開通1-20級，及31-50級中相應(yīng)的模塊；當(dāng)輸出電壓24kv＜V0時(shí)，開通1-30級，及31-59級中相應(yīng)的模塊（其中V0為輸出電壓）。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源控制方法的進(jìn)一步優(yōu)化說明，輸出電壓波形可以有三種模式：單脈沖模式、多脈沖調(diào)制模式和六電平預(yù)置模式。單脈沖模式指輸出一個(gè)脈沖，時(shí)間長度任意；多脈沖調(diào)制模式指輸出占空比0-1之間和頻率可改變的調(diào)制波形，本項(xiàng)目的調(diào)制頻率不低于10kHz。六電平預(yù)置模式指將一個(gè)波形的周期分為六個(gè)階段，不同的階段的時(shí)間及電壓大小容易設(shè)定，時(shí)間長度不限。

工作原理：本發(fā)明所述的全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源，工作時(shí)，三相交流電經(jīng)過整流濾波電路整流濾波，再經(jīng)過全橋逆變電路變成頻率約幾十kHz、幅值約540V的高頻交流電壓，此高頻交流電壓由A、B兩點(diǎn)間輸出至59個(gè)相同的高頻變壓器的初級，經(jīng)升壓、整流濾波之后得到直流電壓，即59個(gè)變壓器初級并聯(lián)，它們的次級經(jīng)AC-DC模塊（SM）后，由每個(gè)模塊中的場效應(yīng)管控制直流電壓是否疊加串聯(lián)輸出。

由于59個(gè)模塊都一樣，所以各模塊的輸出電壓都通過反饋第一個(gè)模塊（SM1）的整流濾波后的直流電壓（Vdc）來實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)穩(wěn)定，各模塊電壓穩(wěn)定在600V。前58個(gè)模塊中的場效應(yīng)管導(dǎo)通與關(guān)斷控制，通過光纖(S1-S58)隔離控制；如果相應(yīng)的模塊接收到光信號，該模塊就輸出電壓就疊加到總的輸出電壓上，從而可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓為600V的整數(shù)倍幅度改變和調(diào)制輸出，此時(shí)模塊中后面的并聯(lián)二極管處于阻斷狀態(tài)；如果相應(yīng)的模塊沒有接收到光纖信號，二極管導(dǎo)通并處于串聯(lián)在輸出回路中。不同位置的模塊由于調(diào)制而處于空載和帶載狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)際上輸出的電壓在前沿存在尖峰問題和幅度的變化，為了解決這個(gè)問題，在第59級模塊（SM59）上，整流濾波后面使用Buck降壓電路，直接由第二微處理器（DSP2）輸出高頻PWM信號通過光纖對其進(jìn)行控制，該模塊的輸出電壓能在0到600V間可調(diào)，滿足輸出電壓調(diào)節(jié)精度小于100V的控制指標(biāo)。

有益效果：本發(fā)明所述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源及其控制方法具有電壓控制精度高、體積小、維護(hù)方便、可操控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，可輸出單脈沖模式、多脈沖調(diào)制模式和六電平預(yù)置模式。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明PSM電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3為控制流程圖；

圖4為前沿控制流程圖；

圖5為前沿控制效果波形圖；

圖6為三種模式輸出波形示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖及工作原理，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述；實(shí)施例中所描述的僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本實(shí)例具體應(yīng)用于電子回旋管陽極高壓電源中，輸出參數(shù)為35kV/200mA。

一種全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源，(其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示），包括三相交流電源、整流濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓器、AC-DC模塊（SM）、第一微處理器（DSP1）和PSM電源控制系統(tǒng)；三相交流電源輸出連接整流濾波電路，整流濾波電路連接全橋逆變電路，全橋逆變電路的輸出兩端（A端、B端）輸出連接至59個(gè)相同的高頻變壓器的初級，各高頻變壓器的次級輸出連接各AC-DC模塊（SM），AC-DC模塊（SM）包含場效應(yīng)管，用于控制直流電壓是否疊加串聯(lián)輸出，第一個(gè)AC-DC模塊（SM1）反饋連接第一微處理器（DSP1），第一微處理器DSP1控制前級全橋逆變器實(shí)現(xiàn)恒壓；PSM電源控制系統(tǒng)（如圖2所示）包括第二微處理器（DSP2）、光纖、以太網(wǎng)模塊、路由器和PC機(jī)，第二微處理器（DSP2）通過59根光纖控制連接59個(gè)AC-DC模塊（SM），第二微處理器（DSP2）的外接串口依次連接以太網(wǎng)模塊、路由器和PC機(jī)；所述前58個(gè)AC-DC模塊中的場效應(yīng)管導(dǎo)通與關(guān)斷通過光纖(S1-S58)隔離控制；所述第59級AC-DC模塊（SM59）中的整流濾波電路后面使用Buck降壓電路，并直接由第二微處理器（DSP2）輸出高頻PWM信號通過光纖對其進(jìn)行控制；所述前58個(gè)AC-DC模塊中的場效應(yīng)管導(dǎo)通與關(guān)斷通過光纖(S1-S58)隔離控制；所述第59級AC-DC模塊（SM59）中的整流濾波電路后面使用Buck降壓電路，并直接由第二微處理器（DSP2）輸出高頻PWM信號通過光纖對其進(jìn)行控制；所述第一微處理器（DSP1）和第二微處理器（DSP2）均采用芯片TMS320F2812作為主控，其中，第一微處理器（DSP1）控制前級全橋逆變器實(shí)現(xiàn)恒壓， 第二微處理器（DSP2）實(shí)現(xiàn)后級59個(gè)模塊的穩(wěn)壓及調(diào)制輸出等功能。

作為上述實(shí)施方式的進(jìn)一步說明，為了保證控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行快速的故障響應(yīng)，PSM電源控制系統(tǒng)還連接有遠(yuǎn)程中控故障檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)，遠(yuǎn)程中控故障檢測系統(tǒng)通過光纖對第二微處理器（DSP2）進(jìn)行開關(guān)量監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對輸入及輸出電壓、電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通訊系統(tǒng)并與觸摸屏、中控狀態(tài)等眾多信號進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

作為上述實(shí)施方式的進(jìn)一步說明，由于第二微處理器（DSP2）的IO口數(shù)量有限，且每個(gè)IO之間要延時(shí)控制，無法通過59個(gè)IO口一對一直接控制59個(gè)模塊，經(jīng)優(yōu)化，前30個(gè)模塊分成三組，每組10個(gè)模塊，分別由3個(gè)IO口控制， 第31級模塊到第59模塊分別由29個(gè)IO獨(dú)立進(jìn)行控制，59個(gè)模塊控制就只需32個(gè)IO口。

上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源的控制方法，如下：

1)把六個(gè)電壓值放到控制輸出電壓數(shù)組Voltage[6]，用作參考電壓，六個(gè)電平時(shí)間放到一個(gè)控制當(dāng)前電平的輸出時(shí)間數(shù)組Time[6]，在本地控制或遠(yuǎn)程控制時(shí)，通過改變這12個(gè)數(shù)值就可以改變當(dāng)前輸出電壓的波形；

2) 輸出電壓經(jīng)過分壓電阻進(jìn)行分壓之后，與參考電壓進(jìn)行比較，這里的參考電壓從前文中提到的數(shù)組Voltage[6]中取出，比較之后產(chǎn)生的誤差電壓與600相除，并進(jìn)行取余和取商運(yùn)算，商數(shù)決定輸出模塊的分布方式，然后打開相應(yīng)的模塊。余數(shù)為決定控制第59個(gè)模塊（SM59）的PWM信號的占空比。

對應(yīng)于上述控制方法，其控制流程圖如圖3所示。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源的控制方法的進(jìn)一步說明，由于PSM電源各模塊在帶載與不帶載狀態(tài)下快速轉(zhuǎn)化，按照常規(guī)順序控制，同一個(gè)IO口控制的十個(gè)模塊與9個(gè)獨(dú)立IO口控制的模塊之間相鄰切換時(shí)會產(chǎn)生很大的尖峰脈沖。這種脈沖尖峰非常不利于整個(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定與電磁兼容；為了改變這種狀況，使用優(yōu)化控制策略為：當(dāng)輸出電壓V0＜12kv時(shí)，開通31-50級中相應(yīng)的模塊；當(dāng)12kv＜V0＜18kv時(shí)，開通1-10級模塊，及31-50級中相應(yīng)的模塊；當(dāng)18kv＜V0＜24kv時(shí)，開通1-20級，及31-50級中相應(yīng)的模塊；當(dāng)輸出電壓24kv＜V0時(shí)，開通1-30級，及31-59級中相應(yīng)的模塊（其中V0為輸出電壓）。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源的控制方法的進(jìn)一步說明，為了滿足系統(tǒng)的快速響應(yīng)時(shí)間，通過建立輸出模塊與時(shí)間控制表以及IO端口之間的關(guān)系，查詢當(dāng)前DSP端口的控制時(shí)間輸出值，從而控制相應(yīng)的模塊導(dǎo)通與關(guān)斷。在實(shí)際應(yīng)用中使用了TMS320F2812芯片中Port A、B、E、F這四個(gè)端口中的32個(gè)引腳，模塊59使用了PORTA中的一個(gè)PWM引腳。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源控制方法的進(jìn)一步說明，為了滿足不同負(fù)載系統(tǒng)的特殊要求，防止過快的電壓變化造成回旋管內(nèi)部的電弧，在控制流程中加入了波形前沿控制功能(如圖4所示)，其中，延時(shí)時(shí)間范圍約為0μs到3ms、最大步進(jìn)為100μs。該控制方法不僅可以滿足不同系統(tǒng)對電磁兼容性的要求，同時(shí)也能用來檢測系統(tǒng)中是否有單個(gè)模塊已經(jīng)損壞，其前沿控制實(shí)際測試效果波形圖(如圖5所示)，圖5中一共有30個(gè)臺階，左邊三個(gè)臺階代表輸出的30級模塊，右邊27個(gè)臺階代表27級輸出模塊，所以一共有57個(gè)模塊電壓輸出。如果打開的模塊個(gè)數(shù)與輸出的臺階不對應(yīng)，就表示相應(yīng)模塊損壞。

作為上述全范圍可變可調(diào)制波形前沿可變的直流高壓高頻開關(guān)電源控制方法的進(jìn)一步優(yōu)化說明，輸出電壓波形可以有三種模式(如圖6所示)：單脈沖模式、多脈沖調(diào)制模式和六電平預(yù)置模式。單脈沖模式指輸出一個(gè)脈沖，時(shí)間長度任意；多脈沖調(diào)制模式指輸出占空比0-1之間和頻率可改變的調(diào)制波形，本項(xiàng)目的調(diào)制頻率不低于10kHz。六電平預(yù)置模式指將一個(gè)波形的周期分為六個(gè)階段，不同的階段的時(shí)間及電壓大小容易設(shè)定，時(shí)間長度不限。