CN103441698A - 一种正反换向脉冲电源输出波形的控制方法 - Google Patents

一种正反换向脉冲电源输出波形的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种正反换向脉冲电源输出波形的控制方法，包括采用反馈单元检测功率单元输出到负载的正脉冲或负脉冲，并将检测到的正脉冲或负脉冲反馈给控制单元；控制单元计算出上升沿或下降沿，根据设定的上升沿或下降沿的阈值控制可调直流电源的输出电压；从而修正脉冲的上升沿或下降沿。采用本发明的脉冲电源输出波形控制方法，使得正反换向脉冲电源具有从小功率到额定功率全范围内上升沿、下降沿均能保证小于150us，满足高质量电镀的技术要求，从而提高了电镀的质量。

Description

一种正反换向脉冲电源输出波形的控制方法
技术领域
本申请涉及电源技术领域，特别涉及一种正反换向脉冲电源输出波形的控制方法。
背景技术
随着有色金属电镀及电子线路板电镀的要求越来越高，大功率正反换向脉冲电源应运而生，其输出波形对电镀影响很大，输出波形是大功率正反换向脉冲电源的重要技术指标。现有的大功率正反换向脉冲电源因工作在脉冲状态中，输出电流大，输出波形的上升沿及下降沿难以做到陡峭，极容易过冲，且又由于输出可变，难以保证在全范围内输出波形一致，影响其在电镀等领域的应用。
发明内容
本申请的目的是提供一种正反换向脉冲电源输出波形的控制方法。
本申请可以通过采取以下技术方案予以实现：
一种正反换向脉冲电源输出波形的控制方法，该控制方法包括采用反馈单元检测功率单元输出到负载的正脉冲或负脉冲，并将检测到的正脉冲或负脉冲反馈给控制单元；控制单元计算出上升沿或下降沿，根据设定的上升沿或下降沿的阈值控制可调直流电源的输出电压；从而修正脉冲的上升沿或下降沿。
进一步的，本申请的正反换向脉冲电源输出波形的控制方法，还包括采用趋势分析的方法，在脉冲达到脉冲幅度时停止脉冲控制，同时通过PWM调制波控制方式调整过冲。
本申请的一种实现方式中，调整过冲的具体方式为，在上升沿或下降沿未到达脉冲的幅度时进行趋势分析，预计到达脉冲幅度的时间，在预计时间时停止正向或反向脉冲控制，同时启动正向或反向PWM调制；以减小过冲。
进一步的，反馈单元包括输出端并联的三个输出为电流型的高频霍尔传感器，霍尔传感器的滤波时间小于0.25us，以确保最快周期为150KHz的PWM调制波能无延时、无损地送到控制单元。
进一步的，可调直流电源采用高频开关电源，并采用RS485通讯方式接收来自控制单元的控制指令。
本申请的一种实现方式中，控制单元由单片机和FPGA组成，单片机通过通讯接口与上位机通讯，并通过总线方式与FPGA交换数据。
进一步的，FPGA的内部还嵌有一个实时计算单片机。
进一步的，功率单元采用H桥式电路。
由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：
采用本申请的脉冲电源输出波形控制方法，使得正反换向脉冲电源具有从小功率到额定功率全范围内上升沿、下降沿均能保证小于150us，满足高质量电镀的技术要求，从而提高了电镀的质量。
本申请进一步的方案中，采用趋势分析和PWM调制波控制方式调整过冲，使得过冲小于5‰，进一步的提高了正反换向脉冲的质量。
附图说明
图1是本申请的大功率正反换向脉冲电源的电路框图。
图2是本申请的大功率正反换向脉冲电源的控制单元的电路图。
图３是本申请的大功率正反换向脉冲电源的控制单元的另一电子图。
图４是本申请的大功率正反换向脉冲电源的控制单元的另一电子图。
图５是本申请的大功率正反换向脉冲电源的可调直流电源的电路图。
图６是本申请的大功率正反换向脉冲电源的驱动单元的电路图。
图７是本申请的大功率正反换向脉冲电源的功率单元的电路图。
图８是本申请的大功率正反换向脉冲电源的反馈单元的电路图。
具体实施方式
本申请的关键在于对现有的大功率正反换向脉冲电源进行改进，在改进的大功率正反换向脉冲电源的基础上提出了本申请的正反换向脉冲电源输出波形的控制方法。
本申请改进的大功率正反换向脉冲电源具体包括，控制单元、可调直流电源、若干个驱动单元、若干功率单元、上位机、反馈单元和负载，可调直流电源与控制单元的电源控制端连接，若干个功率单元和负载并联接于可调直流电源的两端，控制单元通过驱动单元与相应的功率单元连接，负载通过反馈单元与控制单元连接，控制单元与上位机连接。其中，可调直流电源为高频开关电源，优选的，可调直流电源包括三相不可控整流电路和AC/DC变换电路，三相不可控制整流电路的输入端与三相电源连接，其输出端与AC/DC变换电路的输入端连接，AC/DC变换电路的输出端与功率单元和负载连接，AC/DC变换电路的控制端与控制单元连接。可调直流电源通过RS485接口与控制单元连接。控制单元通过通讯接口与上位机连接。
以下结合附图对本申请的最佳实施方式作详细描述。
如图１所示，本申请的大功率正反换向脉冲电源包括控制单元６、可调直流电源１、若干个驱动单元３、若干功率单元２、上位机８、反馈单元５和负载４。其中，可调直流电源１通过RS485接口与控制单元６的电源控制端连接，若干个功率单元２并联接于可调直流电源１的两端，控制单元６通过驱动单元３与相应的功率单元２连接，负载4与功率单元2的输出端连接，负载４通过反馈单元５与控制单元６连接，控制单元６通过通讯接口７与上位机８连接。控制单元６对控制可调直流电源１的输出电压和选择某些功率单元２的输出，利用多传感器分段检测和反馈单元５高速反馈上升沿、下降沿的信息到控制单元６以修正输出，使大功率正反换向脉冲电源的输出波形的上升沿及下降沿陡峭，使其不易发生过冲现象，且可控制全范围内输出波形一致，使其适应电镀的需要。
如图２至图４所示，本申请的控制单元6由一个通用的单片机和一块ALTERA公司的CycloneIII系列大规模FPGA芯片组成，单片机通过通讯接口7与上位机8通讯，并通过总线方式与FPGA交换数据，其中，P300-P301、P303-P310、P312-P321共20个端子，每个端子对应一个驱动模块; P302为输入信号连接端子，P311为控制单元电源端子；FPGA芯片是该控制单元的核心，核心运行频率高达400MHz，内部嵌有一个单片机用于实时数据计算，其中，ADC_AD[11..0]为与ADC接口数据地址线，ADC_CLK_A为ADC提供时钟。ADBUS_S0 - ADBUS_S7, PC7_S为与外接单片机接口，Apu[9..0]、Apd[9..0]、Anu[9..0]、And[9..0]、Bpu[9..0]、Bpd[9..0]、Bnu[9..0]、Bnd[9..0]信号分别与外引端子P300-P301、P303-P310、P312-P321连接。其中，FPGA是该控制单元的核心，核心运行频率高达400MHz，内部嵌有一个单片机用于实时数据计算。
如图５所示，本申请的可调直流电源1采用高频开关电源，其结构是三相不可控整流电路和DC/DC变换电路，三相不可控制整流电路的输入端与三相电源连接，其输出端与DC/DC变换电路的输入端连接，DC/DC变换电路的输出端与功率单元和负载连接，DC/DC变换电路的控制端与控制单元连接；其中，三相不可控整流电路包括由二极管D83-D88的桥式电路和并联在桥式电路的输出端的电容C81，DC/DC变换电路包括由三极管Q80-Q83构成的全桥开关、与全桥开关的输出端连接的变压器T80、分别串接在变压器T80两端的整流二极管D80、D91以及接在变压器T80的输出端由电感L80、电容C82构成的滤波电路，三极管Q80、Q83为一组，三极管Q81、Q82为另一组，三极管Q80-Q83的基极作为全桥开关的控制端与控制单元连接，三相交流电经三相不可控整流电路速成上正下负的高压直流电，再经全桥开关的两组控制开关轮流交替工作形成高压的PWM脉冲波后由变压器T80变成低压脉冲波，再经二极管D80、D91整流、电感L80、电容C82滤波变成直流，通过控制单元控制全桥开关的控制端的导通时间就可控制相应的输出直流电压。
如图６所示，本申请的驱动单元3由四个相同的驱动电路构成，即每个驱动单元包括四个相同的驱动电路，在此仅描述其中一个驱动电路，该驱动电路主要由芯片Ｕ１构成，其信号输入端与控制单元的一输出端连接，其信号输出端与功率单元连接。本申请的实现方式中，驱动单元3有10个，每个驱动单元对应一个功率单元。
如图７所示，本申请的功率单元2包括场效应管Q1-Q4、电流传感器CT、负载RL1、电感L1，场效应管Q1、Q2的漏极共接接点Ｊ1，场效应管Q3、Q4的源极共接到接点J2，场效应管Q1的源极和场效应管Q2的漏极共接地，场效应管Q2的源极和场效应管Q4的漏极共接地，电流传感器CT左串接负载RL1和电感L1后接在场效应管Q1的源极和场效应管Q2的源极处，场效应管Q1-Q4的栅极分别与驱动单元的一路驱动电路连接，其中，J1、J2分别接可调直流电源的正、负极，电容C9对输入电源进行滤波，场效应管Q1、Q4组成正向管，场效应管Q2、Q3组成反向管；当场效应管Q1、Q4导通时，场效应管Q2、Q3截止，电流由AI+流经场效应管Q1、L1、AO+端、负载RL1、电流传感器CT、AO-端、Q4、流出到AI-端，形成正向电流；当场效应管Q2、Q3导通时，场效应管Q1、Q4截止，电流由AI+流经场效应管Q2、AO-端、电流传感器CT、负载RL1、AO+端、L1、Q3、流出到AI-端，形成反向电流。以上即每个功率单元的电路构成。本申请的一种实现方式中，功率单元2 有10个，每个正向100A, 反向300A，构成正向1000A,反向3000A的大功率正反换向脉冲电源，每个单元均采用H桥式电路，每个功率单元对应一个驱动单元。
如图８所示，本申请的反馈单元5主要由接线端子P20、电阻R22、R21、R24、VR20、R23、电容C21、C22、变压器T20、运放电路U20构成，功率单元中的电流传感器采用输出为电流型的，多个传感器的输出可以直接并联在端子P20的1、4脚，传感器的输出电流流经电阻R22，在电阻R22上产生电压信号，该电压信号再经电容C21、C22、变压器T20共模抑制电路，再经电阻R21、R24、VR20、R23到高速运放U20，U20是一个射极跟随电路，进行阻抗变换，将电流反馈信号送到高速ADC进行采样,ADC通过ADC_AD0 - ADC_AD11数据地址线将采样结果送到FPGA中。本申请的一种实现方式中，反馈单元5采用3个输出为电流型的高频霍尔传感器输出端并联，经高速运放，滤波时间小于0.25us，确保最快周期为150KHz的PWM调制波能无延时、无损地送到控制单元6中。
本申请通过控制单元控制可调直流电源的输出电压和选择某些功率单元的输出，利用多传感器分段检测和反馈单元高速反馈上升沿、下降沿的信息到控制单元以修正输出，使大功率正反换向脉冲电源的输出波形的上升沿及下降沿陡峭，使其不易发生过冲现象，且可控制全范围内输出波形一致，使其适应电镀的需要。
采用本申请的大功率正反换向脉冲电源，本申请提供了上升沿及下降沿控制技术。该技术是通过：1）改变可调直流电源的输出电压; 2）控制单元根据给定有选择地使某些功率单元输出; 3)采用多传感器分段检测; 4）通过高速反馈快速检测上升沿、下降沿通知控制单元修正，等控制技术使大功率正反换向脉冲电源输出波形的上升沿及下降沿陡峭。该控制技术的具体步骤为：A)控制单元接收到命令，根据要求的正、负脉冲幅度及经验值给可调直流电源一个初始的输出电压给定，可调直流电源迅速地输出并稳定到给定电压。B)控制单元根据要求的正、负脉冲宽度，并根据正、负脉冲幅度，确定要输出的脉冲单元，使其发出相应的控制脉冲到对应的驱动单元，驱动相应的功率单元。C)反馈单元快速检测到功率单元输出到负载的正、负脉冲，由于反馈单元几乎没有滤波延时，输出到负载的正、负脉冲及时无损地送到控制单元。D)控制单元根据反馈的正、负脉冲，计算出上升沿、下降沿，分别与要求的上升沿、下降沿比较，再调整可调直流电源的输出电压，以修正正、负脉冲的上升沿、下降沿。
同时，本申请还提供了过冲控制技术。该技术是通过高速反馈快速检测正反脉冲幅值，利用快速PWM加趋势分析，提前关断功率管削去过冲部分，达到控制过冲目的。其控制方法如下：
在进行到反馈单元检测反馈时，假设此时反馈回来的是上升沿，这时反向控制脉冲已关断，正向控制脉冲已开启。由于高速反馈的实时性，上升沿还未到达正脉冲的幅度时进行趋势分析，预计到达正脉冲的幅度时间，在到达预计时间时停止正向控制脉冲，同时启动正向PWM调制，当反馈回的正向脉冲的幅度比给定略低时开启正向控制脉冲，正向控制脉冲经正向PWM调制脉冲调制达到稳定的正脉冲幅度。反向与正向方法相同。
 惟以上所述者，仅为本申请之较佳实施例而已，当然不能以此限定本申请实施之范围，即大凡依本申请权利要求及说明书所记载的内容所作出简单的等效变化与修饰，皆仍属本申请权利要求所涵盖范围之内。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本申请之权利范围。

Claims (8)

1.一种正反换向脉冲电源输出波形的控制方法，其特征在于：包括采用反馈单元检测功率单元输出到负载的正脉冲或负脉冲，并将检测到的正脉冲或负脉冲反馈给控制单元；
控制单元计算出上升沿或下降沿，根据设定的上升沿或下降沿的阈值控制可调直流电源的输出电压；从而修正脉冲的上升沿或下降沿。
2.根据权利要求1所述的正反换向脉冲电源输出波形的控制方法，其特征在于：还包括采用趋势分析的方法，在脉冲达到脉冲幅度时停止脉冲控制，同时通过PWM调制波控制方式调整过冲。
3.根据权利要求2所述的正反换向脉冲电源输出波形的控制方法，其特征在于：所述调整过冲的实现方式为，在上升沿或下降沿未到达脉冲的幅度时进行趋势分析，预计到达脉冲幅度的时间，在预计时间时停止正向或反向脉冲控制，同时启动正向或反向PWM调制；以减小过冲。
4.根据权利要求3所述的正反换向脉冲电源输出波形的控制方法，其特征在于：所述反馈单元包括输出端并联的三个输出为电流型的高频霍尔传感器，所述霍尔传感器的滤波时间小于0.25us，以确保最快周期为150KHz的PWM调制波能无延时、无损地送到控制单元。
5.根据权利要求1所述的正反换向脉冲电源输出波形的控制方法，其特征在于：所述可调直流电源采用高频开关电源，并采用RS485通讯方式接收来自所述控制单元的控制指令。
6.根据权利要求1所述的正反换向脉冲电源输出波形的控制方法，其特征在于：所述控制单元由单片机和FPGA组成，所述单片机通过通讯接口与上位机通讯，并通过总线方式与所述FPGA交换数据。
7.根据权利要求6所述的正反换向脉冲电源输出波形的控制方法，其特征在于：所述FPGA的内部还嵌有一个实时计算单片机。
8.根据权利要求1所述的正反换向脉冲电源输出波形的控制方法，其特征在于：所述功率单元采用H桥式电路。
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