基于单片机和PSD设计的数制化电源

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。