基于移相控制的大功率并联软开关电源的研究

２ 系统 总体 结构
图 ｌ 出大 功率 并联软 开关 电源 的系统 结构 框 示 图 该系统 主要 由三相 不控 整流 、 直流滤 波 电感 、
功 率 单元 模 块 、 出 滤 波 电容 、 控 制 电路 及 单 输 主
元控 制 电路 组成 。， 主 要用于抑 制滤 波设 备 电容器 Ｊ 上 电瞬 间的冲击 电流 ，避 免开关 管通 断时 引起直 流
Ｓ ｕｄ ｎ Ｈｉ ｈ－ ｏ ｒ Ｓ ｆ－ｗｉｃ ｎｇ Ｐａ ａ ｌ ｌＰｏ ｒ Ｓ ｐｌ ｔ ｙ ｏ ｇ ｐ ｗｅ ｏ ｔｓ ｔ ｈｉ ｒ ｌｅ ｗｅ ｕｐ ｙ Ｂａ ｅ ｎ ｓ ｄ ｏ Ｐｈａ ｅ ｓ ｆｅ ｎｔ ｏ ｓ ．ｈｉｔ ｄ Ｃｏ ｒ ｌ
Ｓ ｎ— ｈ ｎ，ＬＩ Ｚ — ｕ ｎ ＨＩＸｉ ｃ ｕ Ｎ ｈｉｇ ａ ｇ，ＦＵ Ｃｈａ ｏ
偏 磁 。高频变 压器采 用铁 氧体 铁心材 料 ， 结构 紧凑 ，
基 于 移相 控 制 的 大 功 率 并联 软 开 关 电 源的 研 究
具有 漏 感 ｆ 小 ， 作温 度低 ， 耗 小等 特 点 ， Ｊ 工 损 有利 于 并 联软开 关 电源 安全稳 定运 行 。 图 ３示 出变换 器 主要 工作 波形 。变 换 器采用 初
桥 Ｚ Ｓ控 制技 术和 主 从控 制 方式 ， 计 并研 制 了一 Ｖ 设 台输 出 电压 从 ０ ６ ～０ Ｖ、电流从 ０ ３３ｋ ～ － Ａ连续 可调 ，
额 定功 率 为 １０ｋ 的大功 率 并联 软开 关 电源 。 电 ８ Ｗ
侧 电流大幅 度波 动 。 控制 策略采 用主 从控制 方式 ， 以
第４ ４卷 第 ｌ 期
２１ ０ ０年 １月
电 力 电 子 技 术
Ｐ ｗ ｒＥ ｅ ｔ ｎ ｃ ｏ ｅ ｌ ｃｒ ｉ ｓ ｏ
Ｖ ０．４．Ｎｏ １ Ｊ４ ．
Ｊ ｎ ａｙ，０ ０ ａｕｒ ２ １
基于移相控制 的大功率并联软开关 电源的研究
石新 春 ，林 志光 ，付
（ 华北 电力 大 学 ， 北 保 定 河
电流 作为 内环 、 率 为外环 的双 闭环 Ｐ 调 节控制 。 功 Ｉ
ｕ广 １
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系 统 丰 控 电 路
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ｌ 序初 始 化 Ｉ 程
图 ３ 变 换 器 的 主 要 工 作 波 形
４ 控 制 系统 软 硬 件 设计
４１ 系统硬 件 设计 ．
控制 系统 硬件 主要 由主 控 制 电路 、单元 控制 电 路 、故 障检测 与保 护 电路 、驱 动 电路 及 通讯 电路 组
成 ． 硬件 结 构控制 框 图如 图 ４所示 。 其
ｌｂ Ｃ ：
图 ２ 功 率 单 元 拓 扑 结 构
定 稿 日期 ：０ ９ ０ — ６ ２０ — ６ ２
Ｖ Ｖ 成逆 变器 的超 前桥 臂 ， Ｓ， Ｓ 组成 Ｓ， Ｓ 组 Ｖ ３Ｖ 滞 后桥 臂 。 用 于平 衡变 压 器伏 秒值 ， 防止 变 压器
作 者 简 介 ： 新 春 （ ９ ０ ） 男 ， 北 石 家庄 人 ， 授 ， 究 方 石 １５ 一 ， 河 教 研 向 为 电 力 电子 技 术 、 高频 感 应 加 热 、 电机控 制等 。 ５ ２
超
０ １０ ） ７ ０ ３
摘 要 ： 用 Ａ Ｒ单 片 机 实 现 了大 功 率 并 联 软 开 关 电源 的数 字 化 控 制 ， 设 计 了 主 电 路 系 统 ， 究 了移 相 全 桥变 换器 采 Ｖ 并 研
的工作原理。电源采用模块并联技术和主从控制方式 ， 成了 Ｎ Ｉ 构 ＋ 冗余结构 ， 并研制 了一 台 １０ Ｗ 的样机。实验结 ８ ｋ
级加 阻 断 电容 的移相 全 桥 零 电压控 制 ， 用 与 功 利
变换 电路 转换 成 电压信 号 ，作 为各 功率 单 元控 制 电 路 的指 令 电流 。 以 Ａ ｍｅａ６为 核心 的单 元 控 制 电 Ｔ ｇ１ 路将 主控 电路 的给 定 电流 指令信 号 与 自身 的 电流反
馈 信 号进 行 比较 ．两 者 之 间 的偏 差 经 Ｐ 调 节后 ， Ｉ 控 制 Ｕ Ｃ ８ ５的 脉冲 调 制 器 产 生移 相 角 从 ０ １０ 变 Ｃ ３９ ～ ８。 化的 Ｐ ＷＭ 驱 动 脉 冲信 号 ． 以调 节 电源 总输 出功率 ， 实 现恒 功 率运 行 。 同时 ， Ｔ ｇ １ ８单 片 机通 过 检 Ａ ｍｅａ ２ 测 主 电路 中熔 断器 、 温度 开关 、 输入 水 压 、 流 量 等 水
２ 功 琦 模 块 ＃ 夏
— ． ． ． ． ．． … … ．． ．．
３ 率 模 块 枢
图 ｌ 系 统 结 构 框 图
３ 功 率 单 元 拓 扑 结 构 及 原 理
功率 单元 主 电路包 括 滤波 电容 Ｃ 放 电 电阻 Ｒ、 、 Ｈ桥逆 变 器 、 隔直 电容 Ｃ ｈ高频 变 压 器 、 次级 整流 二 极 管 Ｖ １ ２ ３ ４ 和输 出滤 波 电感 Ｌ等 。图 ２ Ｄ （＝ ， ， ， ） 示 出其拓 扑 结构 。
ｍａ ｔｒ ｓａ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｍｏ ｅ ａ ｄ ｍｏ ｕｅ ｐ ｒ ｌ ｌ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ．ｈ ｓ ｄ ｓ ｎ ｓｙｅ ｍａ ｅ ｔ ｅ ｓ ｏ ｒ ａｉｅ Ｎ ＋ ｒ ｄ ｎ ａ ｃ ｓｅ ．ｌｖ ｏ ｔ ｄ ｎ ｄ ｌ ａ ａｌ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙＴ ｉ ｅ ｉ ｔ ｌ ｏ ｅ ｇ ｋ ｓ ｉ ａ ｙ ｔ ｅ ｌ ｚ Ｉ ｅｕ ｄ ｎｙ
果表 明 ， 电源 系 统控 制 效 果 良好 ， 有 很 强 的灵 活 性 和 可 靠性 。 该 具 关键 词 ： 电源 ； 换 器 ； 字 控 制 ； 联 软开 关 ； 相 控 制 ； 余 变 数 并 移 冗
中 图分 类 号 ：Ｎ ６ Ｔ ８ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ０ ｌＯ ２ １ ） １０ ５ — ３ １０ 一 Ｏ Ｘ（０ ００ —０ ２ ０
ｓ ｕ ｔ ｒ ． ｎ ０ ｋ ｐ ｏｏ ｙ ｅ ｉ ｄ ｖ ｌｐ ｄＴ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ｏ ｅ ｕ ｐ ｙ ｈ ｓ ｇ ｏ ｏ ｔ ｌ ｅ — ｔ ｃｕ ｅ ａ ｄ ａ １ Ｗ ｒ ｔｔ ｐ ｓ ｅ ｅｏ ｅ ．ｈ ｘ ｅ ｉ ｒ ８ ｍｅ ｔｌｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ｐ ｗ ｒｓ ｐ ｌ ａ ｏ ｄ ｃ ｎ ｒ ｒ ｓ ｏｐ ｆｒ ｃ ， ｔ ｎ ｅ ｉ ｉ ｔ ｎ ｅｉ ｂｌ ｙ ｏｍａ ｅ ｓｒ ｇｆ ｘｂ ｌ ｙａ ｄ ｒ ｌ ｉ ｔ ． ｏ ｌ ｉ ａ ｉ Ｋｅ ｗ０ ｄ ： ｏ ｒｓ ｐ ｌ ；ｃ ｎ ｅ ｔｒ ｉｉ ｌ ｏ ｔ ｌ ａ ａｌ ｌ ｏ —ｗｉ ｈ ｎ ；Ｉ ａ ｅ ｓ ｉ ｅ ｏ ｔ ｌ ｅ ｕ ｄ ｎ ｙ ｙ ｒ ｓ ｐ ｗｅ ｕ ｐ ｙ ｏ ｖ ｒ ；ｄ ｇ ｔ ｎ ｒ ；ｐ ｒ ｌ ｆ ｓ ｔ ｉ ｇ Ｊ ｓ — ｈｆ ｄ ｃ ｎｒ ；ｒ ｄ ｎ ａ ｃ ｅ ａｃ ｏ ｅ ｓｔ ｃ ｈ ｔ ｏ
开 关量 信号 并接 收 功率 单元 上传 的故 障信 息 ，判 断
电源输 出电压 、 电流 是 否越 限 ， 别发 生 故障 的功 率 识
来改变 占空 比 ， 以达 到调 节 电源输 出功 率 的 目的 。
Ｖ． ＳＩ Ｉ
Ｖ Ｓ
： ： Leabharlann Ｖ２Ｉ 厂『Ｖ ． Ｓ －Ｓ
ｖ ｓ
１ 引 言 随着 现代 化社会 的发展 ，大功 率开关 电源 的应 用越来越广泛 。 在单晶硅行业里， 单台大功率开关电 源 作 为一种 新 的单 晶硅 直流加 热 电源 得 到 了成 功 应 用 ． 与相控 整 流 电源相 比 ， 效 率 、 它 在 体积 、 重量 、 输 出纹 波等方 面均表 现 出明显优 势 。但单 台大 功率 开 关 电源在设 计和 制造 中存在较 大 困难Ⅲ 且成 本不 合 ， 算 ． 靠性和 稳定 性难 以保 障 ， 可 不利 于长 远发展 。 针对单 台大 功率开 关 电源 的不足 ，采用 移相 全
： ：
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单 元及 其故 障类 型 ．最 终存储 和 显示 故障 信 号及 故
障 发生 时 间 ， 出蜂 呜器 报警 指示 。 给 单元 内单 片机根
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Ｓ ｌ Ｉ Ｖ
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——— ；
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据检 测 到 的故 障类型 给 出指示 灯报 警 指示 或封 锁驱 动脉 冲 指令
（ ｏ ｈ Ｃ ｉａＥｅ ｔ ｃＰ ｗ ｒＵ ｉｅ ｉ ， ａ ｄｎ ７ ０ ３ Ｃ ｉａ Ｎ ｒ ｈｎ ｌ ｒ ｏ ｅ ｎ ｒ ｔ Ｂ ｏ ｉ ０ １ ０ ， ｈｎ ） ｔ ｃｉ ｖ ｓｙ ｇ
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４２ 系统 软件 设计 ．
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系统 软件 程序 由主控 制程 序和 单元 控 制程 序两 部 分组成 。 中 ， 其 主控 制 程序 包括 主程 序和 中断服 务 程序 。功 率 单元 内的控制 程序 主要 完成 主 控制 板控 制指 令 的识 别 、 元 内故 障信 号检测 、 障 信号 上传 单 故 及 Ｕ Ｃ ８ ５输 出脉 冲信 号 的封 锁 与解锁 ， Ｃ ３９ 其故 障检 测主 要 包括 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ的过 流 过 热检 测 、单 元 输 出过 流 检 测 等 。图 ５示 出程序 流程 。
源采 用 Ｎ＋ Ｉ并 联备 份 【 ， 获得 冗 余 功 率 ， 其 在 １ 可 ＿ 使
部 分失 效 时仍可 以提 供 １０ ０ ％负载 功率 ，并可 在 不 间断系统输 电情 况下 ， 对失 效的模 块进行 热 更换 ， 具 有 可靠 性 高 ， 率 高 ， 效 设计 灵 活 ， 个模 块 电流应 力 单 小 ． 护和 实现冗 余方 便等优 点 。 维
率 开关 管输 出 电容 Ｃ～ 间 的谐 振 ， Ｌ 储 能 释 Ｃ 之 在 放 过 程 中 ， 电容 电压 Ｕ （ ｌ ２ ３ ４ 逐 步 下 降 到 使 。 ， ，， ） 零 ， 功率 开关 管体 内的寄 生二 极管 Ｖ 使 Ｄ 开通 ， 电路 中 的 ４个功 率 开关器 件 实现零 电压开通 或 零 电流 关 断 。通 过 改变对 角线 开 关管 驱动 信 号之 间的相 位 差