铝合金特种工艺专用脉冲电源的研制

摘要：针对铝合金特种工艺对脉冲电源的要求，以32位DSP芯片TMS320F2809为控制核心，采用变换的全桥拓扑结构电路，研制了一种专用数字脉冲电源。介绍了数字脉冲电源原理，阐述了主电路、控制电路、保护及驱动电路等的设计方法。系统可通过调节直流电压的大小来满足不同电压输出的要求，同时可分别调节正、负脉冲幅值。该电源满足各项技术要求，电源运行良好，已成功应用于铝合金特种工艺实验中。
关键词：脉冲电源；晶粒细化；逆变电路；控制器

1 引言
    在铝合金特种工艺过程中，为配合温度场效应来达到细化晶粒，促进塑性变的效果，需要将一定频率、电压和电流幅值可调的交流信号加入铝合金板材中。目前，国内传统式脉冲电源装置大多采用分立数字IC芯片产生脉冲，再加入功率放大部分组成整个系统。这些装置普遍存在一些问题，例如系统的集成度不够高、频率范围有所限制、数字化程度低，人机交互不够成熟，需要通过设置周期来得到频率等。新型脉冲电源采用高性能微控制器及高速电路对脉冲电源中的开关功率器件进行控制，并且采用良好的人机交互界面。因此研制具有规则脉冲波，且脉冲幅值、占空比和频率可任意调节的特种铝合金脉冲电源有着相当重要的意义。

2 电源技术指标及方案
    铝合金特种工艺脉冲电源系统需大电流脉冲激励，在低频情况下进行。根据工艺实验的相关要求，脉冲电源技术指标为：脉冲电流0～30 A可调；信号频率1～1 000 Hz可调；脉冲信号占空比及周期个数可调；正、负脉冲幅值独立可调；实时显示、存储相关数据，包括电压、电流、温度等。

本文引用地址: http://www.21ic.com/app/power/201309/191814.htm

    图1示出设计的脉冲电源。主电路采用三相380 V／50 Hz输入，整流单元采用三相智能晶闸管模块，通过微控制器和数字电路输出模块调整电压，以调节直流输出电压，实现脉冲电流幅值的恒定。通过PWM控制IGBT的开通与关断，实现输出频率、占空比、脉冲个数可调的脉冲电流波形。

3 电源硬件设计
3．1 主电路设计及动态分析
    图2示出主电路拓扑结构。三相工频交流电经过滤波器、智能模块进行三相可控整流，得到所需直流输出。为了使正、负脉冲个数可任意调节，逆变电路由两个半桥ICBT模块组成一个全桥逆变回路，而两个半桥臂的上臂所接入的电压则分别是两个智能整流模块的直流输出电压。

    后级逆变电路的PWM斩波所采用的两个IGBT半桥参数完全相同，IGBT的驱动信号具有100 ns范围内的延时。主回路合闸通过电气自锁电路实现，合闸后对大电容进行快速充电，DSP控制电路通过采样以及逻辑判断后输出PWM脉冲驱动信号，实现IGBT斩波。
    电源的负载为大面积铝合金板块，等效为电阻几乎为零的一个模型，故在负载端串联了一个1 Ω的大功率绕线电阻。为了防止装置负载短路，DSP输出控制信号必须与反馈经过相应的逻辑运算，才能最后输出PWM驱动IGBT。为能更好地分析主电路电流动态过程，将晶闸管与大电容等效为一个恒定电源，电路中LC滤波、PWM斩波、铝合金负载可表示为图3所示简易模型。

    当S导通时，Ldi／dt=u1-uC，CduC／dt=i-uC／R；当S断开时，Ldi／dt=u1-uC，CduC／dt=i。根据状态空间中的平均原则，得到状态方程：
   
   
    由上述动态分析得知，系统输出主要由两部分决定，一部分是输入电压扰动U1(s)，一部分是占空比扰动K(s)。根据式(5)可得U1(s)和K(s)信号的传递函数分别为：
   
3．2 DSP控制系统设计
    铝合金时特种工艺数字脉冲电源的控制系统中，控制核心为TMS320F2809型DSP芯片，系统的控制方式为恒流或恒压，采用电流、电压霍尔传感器采样得到电流、电压反馈信号，经调理电路后进行A／D采样。采用热电阻及温度隔离变送器得到铝合金温度信号，同样经调理后送入DSP进行采样。反馈信号与设置的信号进行PID运算，得到相应的输出，经过IGBT驱动电路向主电路发送PWM信号。电流、电压、温度等反馈信号都进入故障综合电路，当出现过流等故障时可进行硬件及软件保护，切断主回路，提高电路的实时性能。主控电路有良好的人机界面，能够实现电压、电流、频率、占空比、温度等信号的修改与显示，并能每隔一段时间进行相关参数的保存，以备调用查看。
3．3 采样、驱动及保护电路
    要实现恒流和恒压控制，电流、电压等反馈信号采样电路显得尤为关键。TMS320F2809具有12位AD采样位数，最小采样时间为40 ns。对于系统要求1～1 000 Hz脉冲电流，则足以实现对脉冲电流的闭环控制。由于负载脉冲电流断续，采样电流信号时必须对电流上升沿进行捕捉，所以需要通过比较电路得到电流上升沿。上升沿信号送入DSP加强型eCAP捕捉中断口，进入中断后可开启A／D采样，同时可检测电流波形的脉宽和周期，以及电流下降沿。
    驱动电路选用集成驱动厚膜芯片M57962L，该芯片的正向开通电压为15 V，反向关断电压为-10 V，能快速、可靠开通和关断IGBT。桥式电路采用4片M57962L，且供电电源独立，提高了系统抗干扰性。同时，M57962L具有自检、过载、短路保护功能，检测到集电极电压升高，自动切断IGBT门极驱动信号。IGBT出现故障时会送出故障信号，该信号和脉冲驱动信号经过与非门进行逻辑运算，也构成了系统的硬件封锁PWM，同时该信号送入DSP外部中断TZ口，实现软件封锁PWM。

4 实验结果
    将所设计的脉冲电源用于铝合金特种工艺实验，电源输入380 V／50Hz工频交流电，电源输出脉冲波频率为200Hz。图4示出实验结果。

    图4a为H型逆变器上下桥臂IGBT的门极脉冲驱动波形，可见开通和关断电压分别为15 V和-9 V，保证了IGBT可靠开通和关断。
    图4b为H桥电路输出电流波形。IGBT采用RCD吸收电路，能有效吸收IGBT开通和关断时产生的尖峰，使输出波形近似方波。由于负载寄生参数略微变化，使电流输出有一些波动，总体而言，设计满足了铝合金特种工艺实验要求的设计指标。

5 结论
    以TMS320F2809为控制核心的铝合金特种工艺专用数字脉冲电源系统，利用全桥逆变拓扑电路，实现了脉冲信号输出、反馈信号的采样、相关参数的显示及存储等功能，验证了电源系统设计方案的可行性。电源系统通过测试，满足了实验所要求的条件，并应用在实际实验中。