CN102832820B - 数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统，包括：主电路和控制电路。所述主电路由Boost升压模块、DC-DC升压变换模块依次连接组成，所述Boost升压模块与并联低压直流电源相连接，所述DC-DC升压变换模块与并网逆变系统相连接；所述控制电路包括故障保护电路模块、电流电压采样及信号处理模块、DSP嵌入式系统模块和高频驱动模块。本发明彻底解决了低压直流电源老化时难以实现电能回馈，而传统静态负载存在耗能、发热及体积庞大的问题，节约能源、高效环保、性能可靠、自动化程度高、电源老化品质稳定，特别适用于低压直流电源的可靠性实验、带载试验与输出特性试验。

Description

数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统。

背景技术

随着电力电子技术的发展与工业化水平的提高，各类电源广泛应用于冶金、能源、化工等社会生产的各个环节。电源运行可靠与否直接关系到系统运行的安全性和准确性，影响到人们的生活安全与否，在生产上更关乎到国民经济的稳定发展。

为了确保电源产品的质量过关，满足性能指标符合出厂要求，电源在出厂前必须进行24～72h甚至更长时间的检测，包括：电源可靠性实验(主要是老化实验，也称烤机或烧机)、电源带载试验与输出特性试验等。如通信电源出厂试验、各种整流柜出厂试验、牵引动力试验、大功率充电电源试验、蓄电池放电试验、电机出厂试验、柴油机及汽油机出厂试验、汽车动力性能试验、电解电镀电源出厂试验等场合都需要负载测试。当前，国内外对上述产品的试验一般都采用传统的静态负载(如电阻、电阻箱、滑线变阻器等)或电子负载能耗放电的办法进行，但由于实际电源所接负载的形式较为复杂，传统负载不能完全进行模拟电源在各种普通状态和极限状态下的表现，而且电能被完全浪费，造成大量的能量损耗，存在耗能、发热及体积庞大的问题。

当今我国经济的迅速发展，能源问题在当今社会受到越来越多的关注。能量回馈型电子负载是一种能够模拟实际电阻负载特性的新型电力电子装置，用于直流电源功率试验，并将测试的直流电能逆变为交流并入电网，实现电能的再生利用。该装置具有节能、体积小、重量轻、节省安装空间和试验性能优良等优点。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号为：200810218873.4，名称为：一种自适应高效节能并网回馈型电子负载，该申请案包括输入电路和并网逆变装置，其中输入通道包括一个主通道和多个次通道，申请案对直流电源老化提出了理想的解决方案。然而，该申请案并没有针对低压直流电源的老化设计系统，同时，控制系统还停留在模拟控制的层面，并且没有详细的实施方法，存在较大的问题。

另经检索发现，中国专利申请号为：200710099161.0，名称为：多输入通道模块化高频隔离单相电能回馈型电子负载，该申请案采用高性能DSP和PWM控制驱动方式实现对直流输入和交流输出的数字控制，将输入的直流电转换为可送入电网的交流电。但该电子负载是针对传统48V直流通信电源的老化试验而设计的，同样不适合低压大电流直流电源的老化试验。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统。该系统以16位DSP嵌入式处理器为核心，将数字化控制技术应用到由Boost升压模块和DC-DC升压变换模块组成的升压系统开关电路中，使系统实现稳定可靠的高压直流输出，为与之相连接的能量回馈型电子负载并网逆变系统提供合适的输入特性。通过升压系统将低压大电流直流电转化成高压直流电，再送入后级并网逆变系统，实现的能量回馈型电子负载具有节约能源、高效环保、性能可靠、自动化程度高和易于编程控制等优点，特别适用于5V低压直流电源的可靠性实验、带载试验与输出特性试验。

本发明采用如下技术方案：

一种数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统，包括主电路和控制电路，所述主电路由Boost升压模块、DC-DC升压变换模块依次连接构成，所述Boost升压模块与并联低压直流电源相连接，所述DC-DC升压变换模块与并网逆变系统相连接。

所述控制电路包括故障保护电路模块、电流电压采样及信号处理模块、DSP嵌入式系统模块和高频驱动模块，所述DSP嵌入式系统模块与电流电压采样及信号处理模块的输出端、故障保护电路模块的输出端、高频驱动模块的输入端连接，所述高频驱动模块的输出端分别与Boost升压模块的驱动信号输入端、DC-DC升压变换模块的驱动信号输入端相连接。

所述电流电压采样及信号处理模块有两组，一组的输入端与Boost升压模块的输出端连接，另一组的输入端与DC-DC升压变换模块的输出端连接。

所述故障保护电路模块包括相互连接的过压欠压故障保护电路、过流故障保护电路和过热故障保护电路。

所述过压欠压故障保护电路的输入端还与电网单相交流电相连接，所述过流故障保护电路输入端还与DC-DC升压变换模块输出端连接，所述过热故障保护电路还与主电路相连接，用于检测主电路开关管散热器的温度。

所述DSP嵌入式系统模块包括DSP数字信号处理器、降压稳压器、电压调整器、存储芯片和串口电平转换芯片；所述DSP数字信号处理器采用16位的TMS320LF2407A。

所述DSP数字信号处理器内嵌事件管理器，所述事件管理器具有脉冲宽度调制单元，以全软件方式产生五路脉冲宽度调制信号，实现脉冲宽度调制的数字化。

一路脉冲宽度调制信号通过高频驱动模块驱动控制Boost升压模块，四路脉冲宽度调制信号通过高频驱动模块控制DC-DC升压变换模块。

所述高频驱动模块由两部分构成，一部分包括MOSFET驱动器，用于驱动Boost升压模块开关管的开通和关断；

另一部分包括相互连接的脉动驱动变压器、MOSFET图腾柱推动结构，用于驱动DC-DC升压变换模块的开关管在零电压下的开通和关断。

所述并联低压直流电源为多个低压直流电源并联构成。

所述DC-DC升压变换模块为电压型全桥移相软开关升压变压器，其拓补结构由储能电感，全桥结构电路，隔离变压器，输出整流电路，LC滤波电路构成。

所述Boost升压模块由升压斩波电路构成。

所述并联低压直流电源与Boost升压模块之间安装有保险丝。

本发明的有益效果：

1、本发明采用高性能数字信号处理器TMS320LF2407A作为控制核心，利用DSP内部丰富的硬件资源、高速的运算能力和实时控制能力，实现升压系统的全数字化控制，这使得能量回馈型电子负载具有更好的可扩展性，系统易于标准化、自动化程度高。

2、本发明采用全桥移相软开关技术，在升压系统DC-DC升压变换模块部分实现MOSFET开关管在零电压下的开通和关断，大大减少了功率管的开关损耗和开关噪声，降低了电磁干扰，提高了整机功率密度和装置效率。

3、本发明采用了电压电流反馈的数字化控制技术，系统的动态特性优良、控制精度高、稳定可靠。

4、本实施例实现低压大电流直流电转化成高压直流电，再配合后级并网逆变系统，实现的能量回馈型电子负载具有节约能源、高效环保、性能可靠、自动化程度高、易于编程控制等优点，很好地解决低压大电流直流电源的老化测试问题，电子负载能量的循环使用率可达80%以上，从而大大节约了能源的无谓消耗和电费的支出，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的主电路的电路原理图；

图3（a）是本发明电流电压采样及信号处理模块中的电流采样及信号处理电路图，（b）是本发明电流电压采样及信号处理模块中的电压采样及信号处理电路图；

图4是本发明的故障保护电路模块的电路原理图；

图5（a）是本发明的高频驱动模块中用于驱动Boost升压模块的电路图，（b）是本发明的高频驱动模块中用于驱动DC-DC升压变换模块的电路图；

图6（a）是本发明的DSP嵌入式系统模块的供电电路图，（b）是本发明的DSP嵌入式系统模块的控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明所述一种数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统，系统包括主电路和控制电路。所述主电路由Boost升压模块102、DC-DC升压变换模块103依次连接组成，所述Boost升压模块102与并联低压直流电源101相连接，所述DC-DC升压变换模块103与能量回馈型电子负载并网逆变系统相连接；所述控制电路包括故障保护电路模块、电流电压采样及信号处理模块108、DSP嵌入式系统模块104和高频驱动模块109相互连接组成。

所述故障保护电路模块包括过压欠压故障保护电路105、过流故障保护电路106和过热故障保护电路107；所述过压欠压故障保护电路105另一端还与电网单相交流电相连接，所述过流故障保护电路106另一端还与DC-DC升压变换模块103输出霍尔电流传感器相连接，所述过热故障保护电路107还与主电路散热器上的温度继电器相连接。

所述DSP嵌入式系统模块104分别与电流电压采样及信号处理模块108的输出端、故障保护电路模块的输出端和高频驱动模块109的输入端相连接，所述高频驱动模块109的输出端还与Boost升压模块102的驱动信号输入端、DC-DC升压变换模块103的驱动信号输入端相连接。

如图2是本发明的主电路的电路原理图。本发明针对能量回馈型电子负载的要求，为有效减少电流波形畸变，提高集中控制性能，克服逆变器输出低压交流再通过工频变压器并网方案的变压器的变比很大、输入电流等级很高、并网电流畸变大的缺陷，本发明的主电路采用两级式拓扑结构。在主电路中，由并联低压直流电源101并联而成的低压大电流输入电源连接Boost升压模块102，经过Boost升压模块102后变成60V直流电，然后进入DC-DC升压变换模块103，最后输出400V高压直流电。

第一级Boost升压模块102由升压斩波电路组成，电感L1储能使电压泵升，电容C1作为滤波器保持电压；电压采样采用电阻分压的方式实现，选电阻网络中R7与模拟地之间的电压作为反馈电压，根据反馈电压的大小实时调整DSP嵌入式处理器定时器比较单元寄存器参数，改变T1PWM的占空比，从而改变MOSFET开关管的导通比，使Boost升压模块102稳定地输出60V直流电压。

第二级DC-DC升压变换模块103为电压型全桥移相软开关升压变换器，其拓补结构由储能电感，全桥结构电路，隔离变压器，输出整流电路，LC滤波电路组成，其中Q1～Q4为4个开关管，每个开关管上带有寄生二极管和寄生电容，L2是谐振电感，D2~D5为输出整流二极管，电感L3、电容C13、C14和C15组成输出滤波电路。Q1和Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q2和Q4组成的桥臂为滞后桥臂，每个桥臂的2个功率管成180°互补导通，两个桥臂之间的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节该相位就可以调整输出电压。升压变换器回路中的外接谐振电容、寄生电容和隔离变压器的寄生电感、漏感以及谐振电感等构成了一个LC谐振回路，在功率开关器件开关过程中实现零电压谐振换流，使其工作在软开关状态，开关损耗低，其器件的电磁应力大幅减少，兼顾了PWM变换器和谐振变换器的优点。

作为优选实施方式，并联低压直流电源101和Boost升压模块102之间接有保险丝，保护主电路的安全工作。

作为优选实施方式，所述Boost升压模块102的MOSFET的型号是FDP42AN15A0，所述DC-DC升压变换模块103的MOSFET的型号是FPQ12N60C。

本实施例所述能量回馈型电子负载特别适用于5V低压直流电源的可靠性实验、带载试验与输出特性试验的前级升压。

如图3（a）是电流电压采样及信号处理模块中的电流采样及信号处理电路，（b）是电流电压采样及信号处理模块中的电压采样及信号处理电路。

电流电压采样及信号处理模块108主要起到电流电压的采样和反馈作用，以实现系统的闭环控制。DC-DC升压变换模块103的电流采样及信号处理电路采用霍尔电流传感器U1对升压系统主电路输出电流进行测量，通过选取适当的电阻R20、R21，使当输出电流从0~0.5A变化时，电流采样及信号处理电路处理后的信号变化范围为0~3.3V，得到与输出电流成线性关系的微弱电压信号，经过滤波后得到较为干净、平滑的信号，然后将采样结果经过电压跟随器U5A以达到缓冲、隔离、提高带载能力的目的，满足DSP片内ADC采样（电平范围0~3.3V）的要求，最后送到DSP的ADC模块ADCIN0通道。

Boost升压模块102和DC-DC升压变换模块103的电压采样电路都是采用电阻分压网络的方法来实现。以DC-DC升压变换模块103的电压采样及信号处理电路作为实施例，升压系统输出400VDC经过由R24~R30组成的电阻分压网络，选择R29的电阻分压值U_f2作为采样电压，U_f2经过电阻R2、RP1分压采样，再由电感L1、L2与电容C1~C4进行滤波，之后经过电压跟随器U3B和运算放大器U3A进行信号调理，再经过线性光电耦合器U5、电压跟随器U4A进行隔离、调整，成为与输出电压成线性关系且范围为0~3.3V的电压信号，最后送到DSP的ADC模块ADCIN1通道，再通过相应软件实现A/D转换。

如图4是本发明的故障保护模块电路模块原理图。所述故障保护电路模块包括相互连接的过压欠压故障保护电路105、过流故障保护电路106和过热故障保护电路107；

作为优选实施方式，所述过压和欠压故障保护电路模块105检测并联低压直流电源输入端单相交流电压，主要起到在电网电压波动时保护主电路安全工作的作用。单相交流电压经过变压器降压和整流后变成直流电压信号VC，VC与电网电压成正比例。VC经过由R1、R2、R3和R4组成的电阻分压网络，作为比较器U1A和U1B的输入信号。输出电压VC经过R1和R3之间的分压，进入比较器U1A的同相输入端，与参考电压VREF比较，当输入电压欠压时，比较器产生低电平欠压信号；输出电压VC经过R2和R4之间的分压，进入比较器U1B的反相输入端，与参考电压VREF比较，当输入电压过压时，比较器产生低电平过压信号。通过调整R1、R2、R3和R4的电阻值可以改变欠压和过压的阈值。

作为优选实施方式，所述过流故障保护电路106检测DC-DC升压变换模块103输出电流，为常用的霍尔电流传感器。霍尔电流传感器输出电流信号经过R6、R7电阻后变成电压信号作为比较器U2B的反相输入端输入信号，与VCC经过R8和电位器RP1得到的参考电压进行比较，当反相输入端输入电压大于参考电压时，比较器U2B即输出低电平过流故障信号。

作为优选实施方式，所述过热故障保护电路107检测主电路开关管连接的散热器上的温度，为常用的温度继电器。过热故障保护电路107通过检测散热器上的温度继电器的断开来实现过热保护，CN1上的①和②之间的断开和闭合状态信号作为比较器U2A的反相输入端输入信号，参考电压VREF作为U2A的同相输入端输入信号，当散热器的温度高于温度继电器阈值温度时，温度继电器断开，比较器U2A反相输入端为高电平，比较器输出低电平过热故障信号；当散热器的温度低于温度继电器阈值温度时，温度继电器常闭，比较器U2A反相输入端为低电平，比较器输出高电平，主电路正常工作。

作为优选实施方式，所述过压欠压、过流、过热故障保护电路比较器的输出作为与门U7A、U7B和U7C的输入信号，然后再经过高速光电耦合器U8与DSP的功率驱动保护中断引脚/PDPINTA相连。当系统发生过压欠压、过流、过热故障时，与门组合输出低电平信号，触发DSP的/PDPINTA产生中断，系统进入故障保护中断服务子程序，实现故障保护，确保系统的安全运行。

所述高频驱动模块109由两部分组成，如图5（a）所示用于Boost升压模块102的高频驱动电路由高速MOSFET驱动器U1TPS2812及其外围电路连接而成。如图5（b）所示用于DC-DC升压变换模块103的高频驱动电路主要由脉冲驱动变压器、MOSFET图腾柱推动结构相互连接组成；所述高频驱动电路原边采用了高速MOSFETN1b～N4b组成的图腾柱式推动结构，能对DSP嵌入式系统模块发送过来的驱动脉冲信号PWM1~PWM4的快速切换并加大驱动功率。驱动电路副边采用了稳压管D9b～D10b、D16b～D17b、D23b～D24b、D30b～D31b对驱动脉冲进行稳压钳位，以保证经过驱动变压器T1b和T2b转换得到的驱动脉冲幅值过高损坏变换器原边变换电路高压MOSFETV1a～V4a；电容C7b～C10b对高压MOSFETV1a～V4a进行加速驱动，以尽量消除开通时刻MOSFET米勒效应带来的开通延时不利影响；D13b与V1b、D20b与V2b、D27b与V3b、D34b与V4b组成的快速放电回路能在驱动脉冲关断时间加速脉冲后沿关断，消除关断时刻MOSFET米勒效应引起的二次导通。

图6（a）是本发明的DSP嵌入式系统模块的控制电路的供电电路图，（b）是本发明的DSP嵌入式系统模块的控制电路原理图。作为优选实施方式，控制电路由控制核心DSPTMS320LF2407A、AC220D15DC直流电源模块、LM2576S-5降压稳压器、TPS7333Q电压调整器、IS61LV12816SRAM存储芯片、MAX232串口电平转换芯片、30MHz有源晶振及其外围电路组成。由于系统是多电源系统混合供电如图6（a）所示，故采用多级降压的方式来实现。AC220D15DC直流电源模块提供±15V电源、LM2576S-5降压稳压器提供+5V稳压电源、TPS7333Q电压调整器提供+3.3V高精度稳压电源。30MHz有源晶振为DSP提供输入时钟信号，通过软件设置PLL倍频系数为1.33，得到40MHz的CPU时钟信号。IS61LV12816SRAM存储芯片主要用于数据和程序存储功能，DSP的/DS为数据选通引脚，/PS为程序选通引脚，控制电路通过将/DS和/PS高低电平的逻辑组合，将128K的IS61LV12816分为2部分，64K数据储存和64K的程序储存（方便程序的调试）。MAX232串口电平转换芯片用于多系统之间的串行信号传输。DSP以全软件方式分别产生五路PWM信号，实现脉冲宽度调制的数字化。

作为优选实施方式，本发明采用美国德州仪器半导体有限公司的软件平台CCStudioV3.3集成开发环境的RTDX模块进行控制参数的调整。

本发明的工作过程：所述并联低压直流电源101经过Boost升压模块102后变成60V直流电，然后进入DC-DC升压变换模块103，输出400V直流高压电。

与此同时，由DSP数字信号处理器104构成的DSP嵌入式系统模块控制实现能量回馈型电子负载升压系统的闭环自动控制过程。根据电流电压采样及信号处理模块108检测到的电流、电压信号与给定的电参数进行比较，产生的误差信号经过DSP嵌入式系统模块的防积分饱和数字PI调节器进行运算，DSP根据运算的结果实时改变自带的事件管理器PWM模块寄存器参数。比较单元以全软件方式分别产生一路PWM信号用于Boost升压模块102，四路带死区的PWM信号用于DC-DC升压变换模块103。DSP嵌入式系统模块输出的PWM信号通过高频驱动模块变成放大的PWM驱动信号，其中一路PWM驱动信号控制Boost升压模块102开关管的开通和关断，从而得到60V直流电，另外四路带死区的PWM驱动信号控制DC-DC升压变换模块103的开关管在零电压下的开通和关断，从而得到400V高压直流电，这是电压数字PI闭环控制过程。低压大电流直流电经过两级结构的升压系统得到高压直流电，为与之相连接的能量回馈型电子负载并网逆变系统提供合适的输入特性，最大程度地减少了并网逆变系统输出的电流波形畸变。

另外，在系统工作过程中，过压欠压故障保护电路105检测单相交流电压，过流故障保护电路106检测DC-DC升压变换模块103输出电流，过热故障保护电路107检测主电路开关管连接的散热器上的温度，霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度继电器输出的信号送到故障保护模块处理，如出现过压欠压、过流和过热现象，故障保护电路模块将产生一个低电平的故障保护信号，送到DSP数字信号处理器的功率驱动保护引脚中断模块，DSP数字信号处理器立即响应中断，在中断服务子程序中产生低电平PWM信号，通过高频驱动模块109快速关断Boost升压模块102和DC-DC升压变换模块103的MOSFET场效应管，从而保护主电路的安全工作。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统，包括主电路和控制电路，其特征在于，所述主电路由Boost升压模块、DC-DC升压变换模块依次连接构成，所述Boost升压模块与并联低压直流电源相连接，所述DC-DC升压变换模块与并网逆变系统相连接；

所述控制电路包括故障保护电路模块、电流电压采样及信号处理模块、DSP嵌入式系统模块和高频驱动模块，所述DSP嵌入式系统模块与电流电压采样及信号处理模块的输出端、故障保护电路模块的输出端、高频驱动模块的输入端连接，所述高频驱动模块的输出端分别与Boost升压模块的驱动信号输入端、DC-DC升压变换模块的驱动信号输入端相连接；

多个所述并联低压直流电源经过Boost升压模块后变成60V直流电，然后进入DC-DC升压变换模块输出400V直流高压电，所述并联低压电源为5V；

所述高频驱动模块由两部分构成，一部分包括MOSFET驱动器，用于驱动Boost升压模块开关管的开通和关断；

另一部分包括相互连接的脉冲驱动变压器、MOSFET图腾柱推动结构，用于驱动DC-DC升压变换模块的开关管在零电压下的开通和关断；

所述脉冲驱动变压器的副边依次包括连接的稳压钳位电路、电容加速驱动电路及快速放电电路。

2.根据权利要求1所述的数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统，其特征在于，所述电流电压采样及信号处理模块有两组，一组的输入端与Boost升压模块的输出端连接，另一组的输入端与DC-DC升压变换模块的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统，其特征在于，所述故障保护电路模块包括相互连接的过压欠压故障保护电路、过流故障保护电路和过热故障保护电路；

所述过压欠压故障保护电路的输入端还与电网单相交流电相连接，所述过流故障保护电路输入端还与DC-DC升压变换模块输出端连接，所述过热故障保护电路还与主电路相连接，用于检测主电路开关管散热器的温度。

4.根据权利要求1所述的数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统，其特征在于，所述DSP嵌入式系统模块包括DSP数字信号处理器、降压稳压器、电压调整器、存储芯片和串口电平转换芯片；所述DSP数字信号处理器采用16位的TMS320LF2407A。

5.根据权利要求4所述的数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统，其特征在于，所述DSP数字信号处理器内嵌事件管理器，所述事件管理器具有脉冲宽度调制单元，以全软件方式产生五路脉冲调制信号，实现脉冲宽度调制的数字化；

一路脉冲宽度调制信号通过高频驱动模块驱动Boost升压模块，四路脉冲宽度调制信号通过高频驱动模块驱动DC-DC升压变换模块。

6.根据权利要求1所述的数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统，其特征在于，所述并联低压直流电源为多个低压直流电源并联构成。

7.根据权利要求1所述的数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统，其特征在于，所述DC-DC升压变换模块为电压型全桥移相软开关升压变压器，其拓扑结构由储能电感，全桥结构电路，隔离变压器，输出整流电路，LC滤波电路构成；

所述Boost升压模块由升压斩波电路构成。

8.根据权利要求1所述的数字化控制的低压直流电源能量回馈型电子负载升压系统，其特征在于，所述并联低压直流电源与Boost升压模块之间安装有保险丝。