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摘要：本课题所设计的高压直流电源系统采用STC89C52单片机作为控制核心，系统使用220V/50HZ交流电作为输入，首先经过整流电路对交流电进行整流，继而进行简单的LC滤波；滤波完成后，经过斩波电路进行调压，其中斩波电路的MOS管导通受到单片机输出PWM信号的控制，这也就实现了PWM对输出电压的控制；斩波电路的输出连接的是有4个IGBT的全桥逆变电路，将直流电压逆变成交流方波，并经过高频变压器升压至KV级别；变压器的输出连接整流倍压电路，将信号变成40KV的直流电压输出。此外，系统还设计了采样电路，将对输出电压进行采样，并反馈给单片机，单片机根据反馈信号控制斩波电路的输出，最终实现整个系统的闭环控制。经实验验证，本系统提出的高压直流电源系统具有高效、可靠、便携等特点。
关键词：斩波电路；倍压整流；稳压电源
1 绪论
1.1 选题背景与意义
高压直流电源在诸多方面都有深入的应用。首先在农业上，例如农业生物静电效应研究、静电喷雾杀虫、静电杀菌、农业环境静电除尘、农业种子静电处理等等。其次，在电力高新技术上，在电力系统中广泛用于高压电气设备的直流耐压和泄漏试验；在特殊行业其也有广泛的应用。缩减电源的开关体积能够使其占领更大的市场份额，无论是使用功效上还是方便程度上比之前的传统电源有了不可比拟的优势，尤其是对某几种高科技技术方面，对此类改进后的电源应用程度越来越高。有相关研究人员表示，缩减此类电源体积后，促进其他的一些高科技技术也往小体积方向发展，越来越的技术产品往便携方向设计。
因此，对高压直流电源的深入研究是非常有必要的。其直接意义是能够拔高新型电源研究层次，能够在电源方面进行一次全面的改革；其深远意义在于对于电源的一些相关领域也起到推波助澜的作用，能够带动整个产业链的发展，尤其是对于一些高新技术领域。
2 系统整体设计及原理分析
2.1 系统总体设计
高压直流电源系统的整体框图如图2.1所示，通过图中能够看出系统主要由14部分组成。其中控制核心是STC89C52单片机模块，核心电路可以分为低压部分和高压部分两大块，其中低压部分包括工频电压输入、整流滤波电路以及斩波输出部分；高压部分包括逆变电路模块、高频变压模块以及倍压电路模块。正常输出以后，系统还具有两部分采样电路，分别采样整流滤波电路的输出和最终输出两部分，单片机通过对比采样值和设定值然后改变PWM波形的输出，最终完成整个系统的闭环控制。系统包括MOS管、IGBT等开关元件，系统引入的PWM波形均由单片机进行输出。
图2.1 系统总体设计框图
通过图2.1能够看出，系统单片机输出的PWM波形主要控制直流斩波电路和逆变电路的开关器件。工频交流电也就是220V/50HZ市电作为系统的初始电压，然后经过滤波和桥式整流，将交流电整流成具有简单纹波的直流电。整流所用的桥式整流是由四个二极管组成，通过控制二极管导通的顺序能够实现整流效果。整流后的滤波电路采用LC滤波电路，效果较好。滤波好的电压经过直流斩波电路，能够变成比输入电压小的可调电压，电压的可调是通过控制斩波电路开关器件导通来实现的。图中的逆变电路是将直流电压转化成交流方波的电路，然后再通过高频变压器将电压提升到KV的高度，最后才经过倍压电路将KV级别的电压放大到几十KV，至此实现高压直流电源的全部功能。
高压直流电源的设计是通过按图2.1完成各个部分的设计，这里应用较多的是电力电子器件，在单片机中设定相关的参数控制其通断比（占空比）获得不同的电压值。在高压发生模块中的反馈控制环通过对输出电压采样并与产生的电压比较来达到调节和控制高压输出的目的。
3 低压电路与控制系统的设计
3.1 电压电路工作原理
3.1.1 整流滤波电路
由于高压直流电源输入的信号是220V/50HZ的市电，所以整流滤波是高压直流电源的第一步。系统中进行整流采用的是工程中最为常用的桥式整流，其电路原理图如图3.1所示：
图3.1 整流电路示意图
桥式整流作为整流最常用的电路，已成为目前市场应用最为广泛的模块电路。此电路一般由四个二极管组成，分别为D1、D2、D3以及D4，其中D1和D4一组，D2和D3一组，输入电压是普通工频电压，也就是220V/50HZ交流电，其波形为标准正弦波，当波形处于正半周时，加正向电压的有D1和D3两个管子，加反向电压的有D2和D4两个管子，此时加正向电压的管子导通，其他管子截止，电路中构成Ui、D1、RL、D3通电回路，在RL上形成上正下负的半波整流电压；当波形处于负半周时，加正向电压的有D2和D4两个管子，加反向电压的有D1和D3两个管子，此时加正向电压的管子导通，其他管子截止，电路中构成Ui、D2、RL、D4通电回路，也能够在RL上形成同样的电压。经过这个过程，就能将正弦波滤成正向的半波波形，能够满足本系统的设计需求。
3.1.2 斩波调压电路
整流滤波完成后，最为重要的电路便是斩波电路。Buck电路便是本设计为实现调压输出所使用的斩波电路。通过图3.2的斩波电路原理图能够看到系统的结构非常简单，仅需要一个开关元件，加上电感、电容等滤波元件。此电路之所以叫做斩波电路是因为，电路的输出电压总是没有输入电压大，看起来被斩掉一部分似的。
图3.2 BUCK电路原理示意图
根据上图的标示，Buck电路的基本工作过程根据开关器件VT的导通状态可以分为两个部分：首先，当VT导通时，二极管VD反接在电源两端，其上的电压假设为UD，此时UD= -Ud反向截止。直流电源Ud通过电路直接给电容充电，因为电感电流不能突变，所以电感L上的电流iL呈线性增加。滤波电容C容量很大，电阻R两端的电压近似为直流，电压方向为上正下负。其次，当VT关断时，电感iL可以近似视为电流源，保持原电流方向不变。二极管VD被迫导通，电感两端电压方向改变，电阻R两端电压不变。当iL<iO时，电容开始放电，输出电流iO不变。当电路达到稳态时，流过电容的平均电流为0，电感中的平均电流与电路输出的平均电流相等。在电流连续的状态下，电感中的电流iL不会降低到0，在一个周期内，开关管VT导通时间ton内电感储能，开关管VT关断时间T-ton内电感释放能量，电容的作用是保持负载电阻R两端电压不变。通过这个过程就能清楚的知道如何通过一个简单开关原件VT控制输出电压，并且能够让输出电压保持稳定。
其实不难看出，Buck电路的工作和开关器件VT息息相关，VT的导通时间关系到最终输出电压Uo的大小。VT的导通时间和VT所接收到的控制脉冲脉冲的占空比一致，因此就可以利用外部单片机改变VT控制脉冲的占空比来改变输出电压的大小，实现程序对输出电压的控制。
4 系统高压部分设计
4.1 逆变电路
高频逆变电路是高压直流电源的核心，电源性能的好坏和高频逆变电路的性能息息相关。斩波电路输出的电压经过逆变电路变成高频交流电，继而进行后续的升压处理。
有关逆变电路的种类很多，逆变电路按照不同的分类标准能够分成很多种，本文主要是根据逆变器的结构进行分，选取应用比较普遍的全桥式逆变电路。全桥式逆变电路在控制方面具有非常多的优点，且结构比较简单，各方面性能比较而言效果最佳。并且由于本系统是基于单片机的高压直流电源系统，为方便的单片机控制，IGBT全桥逆变电路是非常不错的选择。
4.2 倍压电路
普通高压直流电源的输出电压均比较高，在技术发展的早期，升压完全依靠变压器，但是如果输出电压想要达到几十KV，对变压器要求也就比较高，变压器的体积将会做的比较大，绝缘要求也很高，制作工艺非常繁琐，输出电压受到变压器很多参数的影响。所以研究者们提出用倍压电路解决这种问题，并取得了较好的成绩。
倍压整流电路的原理是利用二极管的整流和反向截止作用，对每个电容进行充电，最后将电容按同极性方向串联起来。由于电容值串联起来变小，这种电路只能输出高电压小电流。常见的倍压方法有：输出多模块叠加法、信克尔倍压法、CW倍压法。
5 系统整体电路设计
5.1 系统整体电路设计
各部分电路设计完成以后，就能够组建系统整体电路图。此图主要由：STC89C52单片机最小系统、12864液晶显示电路、按键电路、IGBT全桥驱动电路、斩波MOS管驱动电路、整流滤波全桥逆变电路、倍压电路以及采样电路等几部分组成。整个系统的控制核心为STC89C52单片机最小系统，显示设备为12864液晶。
普通的工频交流电接入到系统中，首先经过桥式整流滤波电路变成直流电源；直流电源经过斩波电路实现直流调压的作用，输出可以调节的直流电压，其大小在300V左右；此300V电压经过IGBT全桥逆变电路会变成正负峰峰值为300V和-300V的交流方波电压；此方波电压首先经过一个高频升压变压器，电压放大10倍左右，变为一个正负为3000V和-3000V的交流电压；最后此电压经过倍压整流电路变为40KV左右的直流电压，采样电路将此电压采样传入单片机，单片机通过判断此电压是否符合设定要求然后改变输出的占空比调节输出电压，最终实现输出设定电压，并持续输出。电路的工作过程是一个闭环的控制过程，各部分协同工作实现最终电压输出。
通过整体电路图能够看出，系统采用多种电压工作模式，其中单片机等控制部分采用5V电源供电；MOS管驱动电路、IGBT驱动电路以及电压采样电路等同时还有15V电压供电；电压输入采用220V/50HZ 电压。为了保证各电源工作不存在干扰，并且保护各器件能够正常工作不受损伤，系统增加了很多光耦隔离电路，主要集中在MOS管驱动电路和IGBT驱动电路，以及电路最后的采样电路，光耦的使用一方面减少了信号之间的干扰，另一方面保护了电路的各个部分。
6 结论
本设计为基于单片机控制的高压直流电源系统，设计了单片机控制模块、整流滤波模块、斩波电路模块、逆变电路模块以及倍压整流模块，普通的220V/50HZ交流电经过系统的整流滤波、斩波调压、逆变以及倍压等变换能够最终输出40KV高压直流电，并且用户能够通过系统自带的按键调节电压的输出大小，通过显示屏观察系统的部分信息。论文中对整个系统的电路图进行了总体设计，对系统中关键模块和电路进行了仿真分析，编写了系统单片机PWM波形输出控制程序，从理论上验证了系统的可行性。本设计的提出为后续的高压直流电源设计提供了新的参考，也为单片机控制的高压直流电源设计积累了部分经验。
虽然本设计取得了一定的结果，但是在系统设计过程中还存在明显不足。关于系统功能仿真和系统器件选型方面参考了很多前辈的文献，并没有对于器件选型进行详细的论证分析。此外，系统虽然设计了整体的原理图并对整体的设计思路进行了仿真验证，但是并未制作实物，缺乏实物制作调试经验，这也是本设计以后将要重点完善的方面。
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论文作者:王文宸
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/6/4
标签：电路论文; 电压论文; 系统论文; 高压论文; 单片机论文; 直流电源论文; 逆变论文; 《电力设备》2018年第2期论文;