[發(fā)明專(zhuān)利]一種閉環(huán)調(diào)控的高精度超音頻脈沖電源

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911065334.6
• 申請(qǐng)日: 2019-11-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110729914B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張偉;熊振陽(yáng);許海鷹
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H02M9/06
• 分類(lèi)號(hào): H02M9/06;H02M7/219;H02M7/5387
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛(ài)華

1.一種閉環(huán)調(diào)控的高精度超音頻脈沖電源，其特征在于：該超音頻脈沖電源包括：

由輸入整流濾波電路(101)、IGBT全橋逆變電路(102)、高頻功率變壓器(103)、全波整流濾波電路(104)、超音頻脈沖切換電路(105)組成的主電路；AC380V動(dòng)力電輸入至整流濾波電路(101)，經(jīng)整流濾波后輸出直流電連接至IGBT全橋逆變電路(102)，然后IGBT全橋逆變電路(102)的輸出再連接至高頻功率變壓器(103)，高頻功率變壓器(103)的輸出連接至全波整流濾波電路(104)，經(jīng)整流濾波后輸出脈沖峰值直流電流Ip；脈沖峰值直流電流Ip輸入超音頻脈沖切換電路(105)實(shí)現(xiàn)超音頻脈沖電流輸出，所輸出的超音頻脈沖電流通過(guò)超音頻脈沖電源輸出接觸器KM(107)的兩個(gè)觸點(diǎn)連接至電源輸出端子；該脈沖峰值直流電流Ip即為超音頻脈沖電源(201)輸出超音頻脈沖電流的幅值；

由脈沖峰值電流檢測(cè)霍爾傳感器Ⅰ(106)、DSP主控電路(114)、PID調(diào)節(jié)電路(108)、PWM發(fā)生電路(109)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路Ⅰ(110)組成的超音頻脈沖電流幅值調(diào)控電路；該DSP主控電路(114)輸出超音頻脈沖電流幅值給定信號(hào)Ug至PID調(diào)節(jié)電路(108)，同時(shí)脈沖峰值電流檢測(cè)霍爾傳感器Ⅰ(106)所采集的電流反饋信號(hào)If傳遞至PID調(diào)節(jié)電路(108)，PID調(diào)節(jié)電路(108)的輸出連接至PWM發(fā)生電路從而實(shí)現(xiàn)PWM脈沖寬度的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，然后PWM發(fā)生電路(109)輸出的PWM波經(jīng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路Ⅰ(110)后連接至IGBT全橋逆變電路(102)，控制IGBT功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)脈沖峰值直流電流Ip幅值的閉環(huán)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)；

由超音頻脈沖電流采樣霍爾電流傳感器Ⅱ(111)、脈沖信號(hào)整形電路(112)、DSP主控電路(114)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路Ⅱ(113)組成的超音頻脈沖電流頻率和占空比閉環(huán)調(diào)控電路；該DSP主控電路(114)輸出高頻PWM波，其頻率和占空比通過(guò)觸摸屏(119)設(shè)置，經(jīng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路Ⅱ(113)后連接超音頻脈沖切換電路(105)，控制超音頻脈沖切換電路(105)中IGBT功率開(kāi)關(guān)管Tp的導(dǎo)通和關(guān)斷，將脈沖峰值直流電流Ip切換為超音頻脈沖電流；同時(shí)，超音頻脈沖電流采樣霍爾電流傳感器Ⅱ(111)連接在超音頻脈沖電流輸出回路上檢測(cè)輸出的超音頻脈沖電流，所采集的超音頻脈沖電流信號(hào)經(jīng)脈沖信號(hào)整形電路(112)整形后連接至DSP主控電路(114)，DSP主控電路(114)通過(guò)內(nèi)部的捕捉模塊對(duì)超音頻脈沖電流的頻率和占空比進(jìn)行檢測(cè)、計(jì)算和補(bǔ)償調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)超音頻脈沖電流頻率和占空比的高精度輸出；

由觸摸屏(119)、RS485串行總線電路(120)與DSP主控電路(114)組成的觸摸屏人機(jī)交互電路；該觸摸屏(119)通過(guò)RS485串行總線電路(120)連接至DSP主控電路(114)，實(shí)現(xiàn)超音頻脈沖電源電流幅值、頻率和占空比的參數(shù)設(shè)置，以及實(shí)現(xiàn)超音頻脈沖電源的啟動(dòng)和停止；

由基值直流電源輸出電流采樣霍爾電流傳感器Ⅲ(205)、基值直流調(diào)理電路(117)、同步時(shí)序控制電路(118)、接觸器KM控制電路(115)、控制接觸器KM線圈(116)和超音頻脈沖電源輸出接觸器KM(107)組成的耦合電路；該基值直流電源輸出電流采樣霍爾電流傳感器Ⅲ(205)連接在基值直流電源輸出負(fù)極上采集基值直流電流Ib,該超音頻脈沖電流信號(hào)連接至基值直流調(diào)理電路(117)實(shí)現(xiàn)超音頻脈沖電流信號(hào)的濾波和放大，然后輸入同步時(shí)序控制電路(118)，其輸出通過(guò)I/O端口連接至DSP主控電路(114)，經(jīng)DSP主控電路(114)處理后再通過(guò)I/O端口連接接觸器KM控制電路(115)，控制接觸器KM線圈(116)通電和斷電，從而實(shí)現(xiàn)超音頻脈沖電源(201)與基值直流電源(202)的外部并聯(lián)耦合；

構(gòu)成上述五部分電路的各功能模塊詳述如下：

由輸入整流濾波電路(101)、IGBT全橋逆變電路(102)、高頻功率變壓器(103)、全波整流濾波電路(104)、超音頻脈沖切換電路(105)組成的主電路：

所述的整流濾波電路(101)包括380V整流橋及其濾波電容，用來(lái)將AC380V動(dòng)力電經(jīng)整流變換成平穩(wěn)的直流電；

該380V整流橋用于將交流電變換為直流電，按電流要求選用整流橋模塊；

該濾波電容用于去除直流電中的紋波，使直流平穩(wěn)輸出，按電壓要求和容量要求選用電解電容；

所述的IGBT全橋逆變電路(102)由四個(gè)IGBT功率開(kāi)關(guān)管按照全橋方式連接，用來(lái)將直流電再次變換成交流方波；

該IGBT功率開(kāi)關(guān)管Tp，其具有輸入阻抗高，開(kāi)關(guān)頻率高，工作電流大諸特點(diǎn)，滿(mǎn)足大電流條件下的高頻開(kāi)關(guān)；

所述的高頻功率變壓器(103)按照工作電壓、頻率和電流采用納米晶鐵芯和漆包線繞制而成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)原邊電壓和副邊電壓的電壓變換和隔離；

所述的全波整流濾波電路(104)用于將高頻功率變壓器(103)副邊輸出的高頻方波交流電再次變換成平穩(wěn)的直流輸出，根據(jù)兩端電壓、流過(guò)電流和反向恢復(fù)特性選用電力整二極管；

所述的超音頻脈沖切換電路(105)由高頻電感Lp、IGBT功率開(kāi)關(guān)管Tp和快恢復(fù)二極管Dp組成，通過(guò)控制IGBT功率開(kāi)關(guān)管Tp的導(dǎo)通和關(guān)斷將直流電流切換成超音頻脈沖電流輸出；

該高頻電感Lp起儲(chǔ)能和濾波的作用，維持超音頻脈沖電流穩(wěn)定的輸出，按電感值、頻率和電流采用納米晶鐵芯和漆包線繞制而成；

該IGBT功率開(kāi)關(guān)管Tp，其具有輸入阻抗高，開(kāi)關(guān)頻率高，工作電流大諸特點(diǎn)，滿(mǎn)足大電流條件下的高頻開(kāi)關(guān)，用于直流和脈沖的切換；

該快恢復(fù)二極管Dp在電路中起續(xù)流的作用，其具有額定電流大，額定電壓高，導(dǎo)通壓降小，反向恢復(fù)時(shí)間小的特點(diǎn)；

由脈沖峰值電流檢測(cè)霍爾傳感器Ⅰ(106)、DSP主控電路(114)、PID調(diào)節(jié)電路(108)、PWM發(fā)生電路(109)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路Ⅰ(110)組成的超音頻脈沖電流幅值調(diào)控電路：

所述的脈沖峰值電流檢測(cè)霍爾傳感器Ⅰ(106)采用的是LT308-S7電流傳感器，用來(lái)采集超音頻脈沖電流的幅值,即脈沖峰值直流電流Ip；

所述的PID調(diào)節(jié)電路(108)即通過(guò)比例-積分-微分控制環(huán)節(jié)對(duì)電流反饋信號(hào)If進(jìn)行變換，其輸出連接至PWM發(fā)生電路(109)，作為PWM發(fā)生電路(109)的輸入，通過(guò)反饋來(lái)調(diào)節(jié)PWM發(fā)生電路(109)所產(chǎn)生PWM波的占空比；

所述的PWM發(fā)生電路(109)是由脈沖寬度調(diào)制器芯片SG2525A組成，用來(lái)產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的PWM波形，其輸出脈沖信號(hào)波形的脈寬通過(guò)給定電壓信號(hào)調(diào)節(jié)控制；

所述的IGBT驅(qū)動(dòng)電路Ⅰ(110)為功率驅(qū)動(dòng)芯片M57962；PWM控制信號(hào)經(jīng)過(guò)M57962驅(qū)動(dòng)放大后連接至IGBT全橋逆變電路(102)中IGBT功率開(kāi)關(guān)管的柵極和源極，控制IGBT功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷；

所述的DSP主控電路(114)采用TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器；主要功能是接收和處理來(lái)自觸摸屏(119)給定的電源參數(shù)數(shù)據(jù)和控制命令、產(chǎn)生超音頻脈沖電流的控制信號(hào)PWM波、設(shè)定超音頻脈沖電流幅值、超音頻脈沖電源(201)和直流基值電源(202)的外部同步自動(dòng)控制、以及通過(guò)對(duì)超音頻脈沖電流幅值、頻率占空比反饋信號(hào)的檢測(cè)計(jì)算和對(duì)控制信號(hào)的補(bǔ)償調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)超音頻脈沖電流幅值、頻率和占空比的閉環(huán)調(diào)控；

由超音頻脈沖電流采樣霍爾電流傳感器Ⅱ(111)、脈沖信號(hào)整形電路(112)、DSP主控電路(114)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路Ⅱ(113)組成的超音頻脈沖電流頻率和占空比閉環(huán)調(diào)控電路：

所述的超音頻脈沖電流采樣霍爾電流傳感器Ⅱ(111)是LT308-S7電流傳感器，用來(lái)采集超音頻脈沖電流頻率和占空比；

所述的脈沖信號(hào)整形電路(112)用于對(duì)超音頻脈沖電流采樣霍爾電流傳感器Ⅱ(111)檢測(cè)到的超音頻脈沖電流信號(hào)進(jìn)行整形，輸出同頻率和占空比的脈沖信號(hào)；

所述的IGBT驅(qū)動(dòng)電路Ⅱ(113)為功率驅(qū)動(dòng)芯片M57962；PWM控制信號(hào)經(jīng)過(guò)M57962驅(qū)動(dòng)放大后連接至超音頻脈沖切換電路(105)中IGBT功率開(kāi)關(guān)管Tp的柵極和源極，控制IGBT功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷；

由觸摸屏(119)、RS485串行總線電路(120)與DSP主控電路(114)組成的觸摸屏人機(jī)交互電路：

所述的觸摸屏(119)為MT6071iE，通信協(xié)議采用Modbus通信協(xié)議，該觸摸屏具有響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)；

所述的串行總線電路(120)為ADM2587E單電源隔離芯片；該串行總線電路采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，具有高的抗干擾能力和共模噪聲抑制能力；

由基值直流電源(202)輸出電流采樣霍爾電流傳感器Ⅲ(205)、基值直流調(diào)理電路(117)、同步時(shí)序控制電路(118)、接觸器KM控制電路(115)、接觸器KM線圈(116)和超音頻脈沖電源輸出接觸器KM(107)組成的耦合電路：

所述的基值直流電源(202)為NB-800型基值直流電源及任意直流等離子噴涂電源；

所述的基值直流電源輸出電流采樣霍爾電流傳感器Ⅲ(205)采用的是LT608-S7電流傳感器，用來(lái)采集基值直流電源(202)的輸出基值直流電流Ib；

所述的接觸器KM控制電路(115)通過(guò)控制接觸器KM線圈(116)上電與否來(lái)控制超音頻脈沖電源輸出接觸器KM(107)的通斷；當(dāng)DSP主控電路(114)I/O輸出高電平時(shí)，接觸器KM線圈(116)上電吸合觸點(diǎn)，即超音頻脈沖電源輸出接觸器KM(107)導(dǎo)通；當(dāng)DSP主控電路(114)I/O輸出低電平時(shí)，使接觸器KM線圈(116)掉電觸點(diǎn)分離，即超音頻脈沖電源輸出接觸器KM(107)關(guān)斷；

所述的接觸器KM線圈(116)用于吸合超音頻脈沖電源輸出接觸器KM(107)的觸點(diǎn)，上電吸合觸點(diǎn)，掉電斷開(kāi)觸點(diǎn)；

所述的基值直流調(diào)理電路(117)用來(lái)調(diào)理來(lái)自基值直流電源輸出電流采樣霍爾電流傳感器Ⅲ(205)對(duì)基值直流電流Ib的采樣信號(hào)；

所述的同步時(shí)序控制電路(118)用于發(fā)出SS電平信號(hào)，當(dāng)基值直流電流Ib≥50A時(shí)，SS為高電平信號(hào)，當(dāng)基值直流電流Ib50A時(shí)，SS為低電平信號(hào)；

所述的超音頻脈沖電源輸出接觸器KM(107)為大功率交流接觸器，其通斷由接觸器KM控制電路(115)和接觸器KM線圈(116)進(jìn)行控制。