CN206283426U - 基于dsp2812的多路叠加式高频高压电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于DSP2812的多路叠加式高频高压电源，该高频高压电源包括DSP控制电路、电源转换电路和功率逆变电路，其中功率逆变电路输出采用多极串联的方式输出一路高频高压交流电，用具有相同周期的多路电平信号叠加出一组正弦波形或者方波波形的电压信号，每路电平信号由一路PWM波形信号进行调制。本实用新型的优点是实现输出电源的频率、幅值、相位进行调节；具有较高的智能和可控性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电源硬件的技术领域，特别涉及一种基于DSP2812的多路叠加式高频高压电源。
背景技术
在军事、工业、日常生活等领域，高频高压电源有着非常广泛的应用，如在X光机、CT等医疗器械上经常使用高压电源；电容和线缆等的耐压试验需要用到高压交流电源；金属材料表面的材料属性改变，制造臭氧等也需要利用高频高压电源。传统高压交流电源通常使用变压器对较低幅值交流电进行升压来达到输出高压的目的，这种高压电源频率调节不容易实现，且输出幅值不能实时调节。这是本申请需要着重改善的地方。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是要提供一种输出电源的频率、幅值、相位可实时调节的基于DSP2812的多路叠加式高频高压电源。
为了解决以上的技术问题，本实用新型提供了一种基于DSP2812的多路叠加式高频高压电源，该多路叠加式高频高压电源包括DSP控制电路、电源转换电路和功率逆变电路，其中功率逆变电路输出采用多极串联的方式输出一路高频高压交流电，用具有相同周期的多路电平信号叠加出一组正弦波形或者方波波形的电压信号，每路电平信号由一路PWM波形信号进行调制。
所述DSP控制电路以DSP2812为主控芯片，在线实时监测和控制其输出多路PWM，通过改变输出的PWM波形，进行电压频率、幅值和相位调节。
所述高频高压电源的峰值电压输出峰值10kV～15kV，电源幅值连续独立可调，而且频率在10k～50kHz连续可调，功率达10W*N，N为叠加路数，相位在0～180度各路独立调制。
所述DSP控制电路为调控主单元，以TI公司的数字芯片TMS320X2812为核心，包括：
由晶振构成的时钟信号系统，提供主控芯片DSP2812工作的3.3V和1.8V电压、一定频率的时钟信号；
通信芯片MAX489ESD，使上位机与主控芯片DSP2812进行实时双向通信；通过在线输入通信指令调控末端电源频率和幅值，并且监测电源状态；
电平转换芯片74ACT245，将主控芯片DSP2812输出幅值为3.3V的PWM信号转换成5V的PWM波形信号，提高芯片驱动能力；
JTAG仿真烧写口，实现芯片的程序烧写和在线程序仿真，提高开发能力。
一个主控芯片DSP2812输出15路PWM波形信号，可进行15路联级调试，堆出一路类似正弦波信号，进行幅值控制；也可以分成7路联级×2的两路类似正弦波信号，进行相位调节。
所述电源转换电路将输入电源与输出电源隔离，包括光电耦合器PC817、芯片TOP243和电压器构成的开关电源电路，输出多路相互隔离独立的DC300V，消除干扰。开关电源电路的频率为132kHz，输出功率为9～290W，通过控制进入低功耗/唤醒模式；输出多路DC300V相互独立。
所述功率逆变电路输入开关信号以及DC300V，对应输出PWM波形信号，包括：
电源芯片LNK304，将输入的300V电压转变成稳定的15V电压，驱动半桥驱动集成电路IR2102和电源芯片7805；
电源芯片7805，将输入的15V电压转变成稳定的5V电压，驱动磁耦隔离芯片ISO721；
磁耦隔离芯片ISO721，接收主控芯片DSP2812输出的PWM信号，输出隔离的PWM信号；
半桥驱动集成电路IR2102，MOS管K3679组成的信号开关隔离电路，将主控芯片DSP2812输入的PWM信号和DC300V，转变成幅值为300V的PWM信号。
本实用新型的优越功效在于：
1） 本实用新型具有主控芯片DSP2812，与一般高频高压电源电路相比，具有较高的智能和可控性；
2） 本实用新型利用数字芯片DSP2812进行实时调制的高频高压电源电路，应用该电路，可以实现输出电源的频率、幅值、相位进行调节。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型高频高压电源的输出波形示意图；
图2为本实用新型的硬件电路原理框图；
图3为本实用新型五路不同的占空比信号示意图；
图4为本实用新型输出阶梯电流波形（阻性负载）；
图5为本实用新型5路直流电叠加的高频高压电源原理图；
图6为本实用新型信号之间的逻辑顺序原理框图；
图7为本实用新型隔离电路及MOS驱动电路图；
图8为本实用新型的功率电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
下面结合附图详细说明本实用新型的实施例。
本实用新型提供了一种基于DSP2812的多路叠加式高频高压电源，采用多级串联方式输出高压如图1所示，采用VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)调制方式，高频高压多路电源为四路一组的电源，按照技术要求各路电压在频率、幅值和相位都相互关联，因此可用如下公式表示：
V1=ksin(wt)+A1
V2=ksin(wt+Q2)+A2
V3=ksin(wt+Q3)+A3
V4=ksin(wt+Q4)+A4
其中，电压幅值k、频率w、相位Q以及偏置A为可调参数。
通过分析及计算可知，通过控制相应功率逆变电路的通段，则可以叠加出不同电压值的直流电，再对开通时序控制，则可以叠加出如图4所示的近似于正弦波的阶梯电压波形。实现硬件电路框图如图2所示。当只有逆变模块1的功率管开通时，负载端电压为300V，当逆变模块1和逆变模块2开通，其余不开通时，负载端电压为600V，当有N个逆变模块开通时，负载端电压为300V的N倍。因此在一个正弦波周期内可以得到幅值不超过300V*N的峰值电压的正弦波的等效阶梯波电压。而正弦波的频率则通过对DSP2812时间管理器EVA、EVB模块时钟信号进行设置，进而调制六路PWM信号的周期加以控制。
所述高频高压电源的电压输出峰值达到15kv，需要拥有50个功率逆变电路，四套这样的阵列则可以组成所需的四路输出高频高压电源。
实现高频高压电源输出峰值10kV-15kV的电源，首先电源转换电路将直流电压变换出多路隔离的电压。由于能够采用效率高的变换频率和开关方式，电源转换电路可以将20V至48V的直流电压升高约为300V的直流电压，提供给功率逆变电路。
每个功率逆变电路将输入的直流电压通过SPWM开关方式生成合适的交流电压，再通过整流模块将SPWM输出的离散数字信号整流成模拟正弦波，最终以级联方式实现高压输出。
由于直流输入至功率逆变电路的电压为300V，最终单路输出的正弦电压最高不超过300V，要实现技术指标要求的最高15kV电压，至少需要50个模块级联。
电源频率和相位改变方案：以五路直流电为例简述调制过程，如图5所示为五路直流电源叠加的原理图，包括开关信号发生器、开关电源电路和模拟阻性负载。
在一个载波周期里，对串联在电路里面的五个直流电源施以不用的占空比，通过这五路不同宽度的电平的叠加，可以产生近似于正弦波的多电平锯齿波形，五路开关信号以及相应的输出电流波形分别如图3及图4所示，由于所接为纯阻性负载，输出电压波形与电流波形相同。
由于仿真中叠加的电平数量有限（五路电平），输出电压轮廓锯齿状较为明显，考虑到最终调压范围为10kV～15kV（30～50路电平），因此最终叠加出来的波形将非常接近正弦波。并且可以通过调节直流电源模块开通的数量进行调压，通过载波周期的调节，进行频率调节。
功率逆变电路如图6所示，以4路信号的逻辑顺序框图为例：
输入信号A（PWM1）占空比为50%，周期为12us。输出信号分别为光耦输出信号B（LIN）、驱动芯片IR2102S的输出信号C（LO_1）、和MOS管输出信号D。
磁耦隔离芯片ISO721输出，如图7所示：
输入信号PWM1：高电平5.938us；低电平6.062us；上升时间8.033ns；下降时间6.806ns；
半桥驱动集成电路IR2102S输出端信号LO_1：高电平7.765uss；低电平4.234us；上升时间263ns；下降时间96.52ns。
此外，至于控制信号输入的上升沿与IR2102S输出信号的下降沿的延时时间，驱动板约为1.9us，约为300ns。
如图8所示，在SIN+和SIN-之间加100K电阻，导通时电流为2.5mA；在SIN+和SIN-之间加11K电阻，导通时电流为22.7mA。测试点分别为MOS管门极以及SIN-。
以上所述仅为本实用新型的优先实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于DSP2812的多路叠加式高频高压电源，其特征在于：该多路叠加式高频高压电源包括DSP控制电路、电源转换电路和功率逆变电路，其中功率逆变电路输出采用多极串联的方式输出一路高频高压交流电，用具有相同周期的多路电平信号叠加出一组正弦波形或者方波波形的电压信号，每路电平信号由一路PWM波形信号进行调制。
2.根据权利要求1所述的基于DSP2812的多路叠加式高频高压电源，其特征在于：所述DSP控制电路以DSP2812为主控芯片，在线实时监测和控制其输出多路PWM，通过改变输出的PWM波形，进行电压频率、幅值和相位调节。
3.根据权利要求1所述的基于DSP2812的多路叠加式高频高压电源，其特征在于：所述高频高压电源的峰值电压输出峰值10kV～15kV，电源幅值连续独立可调，而且频率在10k～50kHz连续可调，功率达10W*N，N为叠加路数，相位在0～180度各路独立调制。
4.根据权利要求1所述的基于DSP2812的多路叠加式高频高压电源，其特征在于：所述DSP控制电路为调控主单元，包括：
由晶振构成的时钟信号系统；
通信芯片MAX489ESD，使上位机与主控芯片DSP2812进行实时双向通信；
电平转换芯片74ACT245，将主控芯片DSP2812输出幅值为3.3V的PWM信号转换成5V的PWM波形信号；
JTAG仿真烧写口。
5.根据权利要求1所述的基于DSP2812的多路叠加式高频高压电源，其特征在于：所述电源转换电路将输入电源与输出电源隔离，包括光电耦合器PC817、芯片TOP243和电压器构成的开关电源电路。
6.根据权利要求1所述的基于DSP2812的多路叠加式高频高压电源，其特征在于：所述功率逆变电路包括：
电源芯片LNK304，将输入的300V电压转变成稳定的15V电压；
电源芯片7805，将输入的15V电压转变成稳定的5V电压；
磁耦隔离芯片ISO721，接收主控芯片DSP2812输出的PWM信号，输出隔离的PWM信号；
半桥驱动集成电路IR2102，MOS管K3679组成的信号开关隔离电路，将主控芯片DSP2812输入的PWM信号和DC300V，转变成幅值为300V的PWM信号；
功率逆变电路输入开关信号以及DC300V，对应输出PWM波形信号。
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