基于的全桥式煤矿软开关电源研究

　　摘要：由于煤矿井下的作业环境相当复杂，监控系统能够监测采掘工作面的瓦斯，一氧化碳气体，温度风俗，风门开关等，为了实现煤矿监控系统的稳定性，以减少瓦斯爆炸，温度湿度失调或意外状况的可能性为目的，提出一种基于DSP的全桥式煤矿软开关电源。该电源一方面利用DSP的PWM波的产生机制，通过修改PWM波占空比改变逆变桥中IGBT的通断时间从而控制输出电压的大小〔1〕；另一方面采用全桥式变换器相当两个双管正激变换器组成，驱动脉冲互补。同样的开关功率器件下，可获得两倍于半桥电路的输出功率。仿真结果证明，该系统可在复杂的煤矿监控中运用，具有一定的实用性、安全性及经济性。
　　关键词：软开关电源；DSP；PWM；全桥变换器；煤矿安全
　　目前我国大大小小的煤矿有不下10000座，而每年因煤矿事故死亡的人数也居高不下，井下监控系统就成了煤矿生产中最为重要的环节之一。传统的硬开关方式的逆变电源由于存在开关损耗大、效率低、电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）大等的问题〔2〕，不但影响电源自身的可靠性，而且会影响其它电子设备的正常工作，容易產生拉弧以及电火花，从而引起瓦斯爆炸等安全隐患，软开关技术是目前解决该问题的主要方法。
　　为了实现监控系统电源波形的数字化控制，本文的控制核心采用DSP芯片的TMS320F2812系列，并由DSP的PWM生成机制来完成调节输出电压，并采用全桥式变换器完成软开关电源的实现，对电源主电路实现了全数字控制，输出电压设置定点可调，提高了输出电压的精度和稳定度，另一方面采用全桥式变换器，从而大大的提高软开关电源的输出功率〔3〕。
　　一、电源系统硬件设计
　　主电路设计：开关电源的硬件基本组成原理图主要由功率主电路，DSP控制回路以及他辅助电路组成。系统的硬件基本组成电路如图1所示：
　　其基本原理是：电网的交流输入经过EMI整流滤波后得到高品质直流电压，通过全桥式逆变器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将高频变压器输出的高频交流电压整流滤波后得到所需要的高质量、高品质的直流电压〔4〕，通过采样电路及光电隔离保护电路输入给DSP控制器，从而形成负反馈。DSP芯片TMS320F2812通过事件管理器EVA产生PWM波，并加于驱动电路，通过改变占空比输出模拟量电压电流。完成反馈调节得到理想的电压电流。电路拓扑结构如图2所示。
　　3PAC表示三相交流380V的电网电压输入，3PBreaker表示三相空气开关，DiodeBridge表示三相不可控整流桥，TDBreaker表示延时启动开关，防止启动时充电电流过大，Lin和Cin构成输入LC滤波环节，IGBTBridge表示单相逆变桥，Lm表示饱和谐振电感，Co隔直电容，LT表示12个高频线性变压器串联，D1、D2代表72个肖特基整流管，Lo和Co构成输出滤波环节，其中Lo代表12个电感，每个变压器输出连接一个输出滤波电感。
　　全桥变换器相当两个双管正激变换器组成，两组双管正激变换器驱动脉冲互补。全桥变换器由4个开关管构成，每个桥臂有个开关管，变压器的一次侧连接两个桥臂的中间。全桥电路相对单管、双管推挽、半桥电路要复杂一些，但是在选用同样的开关功率器件的条件下，可获得两倍于半桥电路的输出功率。和功率开关管反相并联的二极管，一般都是开关管自身的体二极管代替（由生产工艺集成的），这些二极管用于恢复能量，同时可以消除漏感产生的瞬间过压，用于钳制开关管承受的最大关断电压。
　　二、系统软件设计
　　DSP的PWM生成机制：在开关电源结构中，开关电源是通过修改PWM波占空比改变逆变桥中IGBT的通断时间从而控制输出电压的大小〔5〕。控制电路所需的PWM波的生成是由DSP中事件管理器EVA产生，对每一次主电路的输出电压、电流数据采集发生在每个PWM周期末，采集完成后ADC向CPU发出一个中断请求，中断开始，CPU进入服务子程序，按指定的算法对采样结果进行运算，运算的输出结果是CMPR的值，PWM的占空比就是通过运算输出的结果CMPR值来改变，从而改变IGBT的通断时间，进而控制输出电压电、流的大小〔6〕。
　　规定超前臂Z1与Z2为固定臂开关管，滞后臂Z3与Z4为移相臂开关管，其移相角由比较寄存器CMPR2给定。DSP于每周期固定相位180互补输出uPWM1和uPWM2，死区时间由死区控制寄存器给出，避免上下直通并实现软开关。同理DSP输出180互补并带死区的uPWM3和uPWM4。只有uPWM1与uPWM4，uPWM2与uPWM3同时为高时，电源才能传递功率。控制电源输出的占空比只要做到实时改变比较寄存器CMPR2的值并保证uPWM3和uPWM4180互补即可。启动AD并触发中断是由计数寄存器T2CNT与T1CNT同周期且相位差固定来实现的，在中断程序中对反馈信号进行处理并实时改变比较寄存器CMPR2的值〔7〕。
　　三、仿真结果
　　利用仿真软件PSIM来对电路进行仿真，实验的主要技术指标为：
　　输入电压：三相AC380V（55）
　　输出电压：DC25V
　　输出电流：DC125A
　　开关频率：20KHz
　　实验中电路的参数设置：谐振电感：26H，隔直电容60F，输出滤波电感：88H，输出滤波电容：6600F，开关频率：20KHz。
　　图3为驱动脉冲和输出电压，电流的波形，可见输出波形良好，达到稳定的时间较快。
　　四、结束语
　　基于DSP的软开关电源具有高效节能、轻巧省料、控制性能好等特点，在消除网侧电流谐波、改善网侧功率因数、控制逆变输出波形、提高系统动态响应性能方面有很大的改善〔8〕，已成为现代煤矿电源发展的主流之一。通过使逆变器开关器件工作在ZVZCS软开关状态，为进一步提高其工作频率奠定了基础。监控系统的微处理器的逻辑电路发展趋势就是低压大电流，本文所设计的电源可以满足其需求。DSP使数字化电源的波形控制能力更为精确，系统更加紧凑，提高了抗干扰性，保证了煤矿监控系统运行的实时性和稳定性〔8〕。实验证明电源的性能可以满足煤矿监控系统电源的要求。
　　参考文献：
　　〔1〕姜少飞，闫英敏，赵霞，李鹏程。基于DSP的数字PID控制在开关电源中的应用〔J〕。国外电子测量技术，2009，6：6970
　　〔2〕成亮。煤矿安全生产井下供电系统研究〔J〕。中小企业管理与科技，2011。30。
　　〔3〕黎粤梅。高频开关电源节能技术的探索〔J〕。科技资讯，2011。17。
　　〔4〕王增福，李昶，魏永明。软开关电源原理与应用〔M〕。北京电子工业出版，2006。
　　〔5〕金影梅。基于DSP的软开关电源的研究〔J〕。科技广场，2010，36（2）：198200。
　　〔6〕万山明。TMS320F281xDSP原理及应用实例〔M〕。北京：北京航空航天大学出版社，2007。
　　〔7〕李远波，张永俊，周慧峰，李风。基于DSP的软开关逆变式脉冲电源〔J〕。电力电子技术，2009，43（11）：5960。
　　〔8〕吴雷，张健，沈东辉，屈晓栋。基于DSP的软开关焊接电源研究〔J〕。电力电子技术，2009，43（8）：3738。