摘 要: 根據單片機80C196KC和現場可編程系統器件PSD302的特性，設計了一種數制化電源裝置，提供了程序框圖，并對其進行了諧波分析。它是一種高性能的通用裝置，可替代傳統的PWM逆變電源。
關鍵詞: 電力電子器件 電源 單片機 現場可編程系統器件
隨著現代工業的發展和社會進步，人類對電能種類的需求不斷增加，如要求電能有多種制式：直流穩壓電源、交流工頻電源、中高頻感應加熱電源、高壓電解電源等，而且需求的數量也在不斷增加。要提供這些制式的電能，就要有許多不同的電源變換裝置。此外，為滿足各種電氣設備對電源的特殊要求，也需要一些裝置對電源進行變換和控制。這些裝置品種繁多，其原理和構造各不相同，且一般只有有限的功能，難以相互替代。因此，設計出一種通用的電源裝置，使它在原理和結構上不作改動即能提供多制式的電源，具有重要的現實意義[1]。然而，利用60年代的晶閘管以及70年代的自關斷器件(如GTR、GTO)構成的電氣裝置，由于器件的工作頻率低下，難以逾越20kHz這一大關，因而效率較低，原材料消耗較大，并且系統的動態性能不夠理想，易引起所謂的“電力公害”[2]。80年代急速興起的場控自關斷器件(如IGBT、VDMOS、SITH、SIT、MCT等)都是集高頻、高壓、大電流于一身的性能優越的電壓控制器件，它們的出現使得設計和制造出一種通用的電源裝置成為可能。
本文以數制化電壓單元為基礎構成電壓合成器(VS)，再由單片機按波形重組合技術(WRT)控制VS中各單元的電子開關(IGBT)，使導通單元的電壓迭加得到所需的波形，從而實現所要求的功能。
1 系統組成和原理
1.1 數制化電壓單元的選取[3]
系統的數制化電壓單元按如下規律選取：
先確定最小的電壓單位(如1V)，并取E0＝1V作為基本單元，其次選E1＝2E0作為高一位的單元，再次選E2＝2E1＝4E0作為更高一位的單元，……依次類推，如圖1所示。若共有N位單元，則最高位單元的電壓為：
需要指出的是，這些單元可以是恒定的直流電壓，也可以是等寬的單向脈沖電壓，甚至可以是同頻同相的交流電壓。這里只討論恒定直流電壓的情況。
1.2 電壓波形重組合[1]
先將擬要產生的波形分成若干個垂直條塊，這些條塊的寬度遠小于波形的周期，可看作為具有固定幅值的矩形條塊。這樣給定的電壓波形就可用上述的數制化單元迭加得到，如圖2所示。使用二進制的單元系列不僅可減少單元數目，簡化結構，而且極易利用單片機來進行控制。
1.3 主電路部分
由以上電壓迭加分析可知，各數制化電壓單元應串聯起來，并且每個單元應串聯一個可控制其導通或關斷的電子開關，構成電壓合成器VS。綜合考慮目前電力電子器件的性能，這里選用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作電子開關。這是一種電壓控制型器件，其輸入阻抗高、驅動電路簡單、驅動功率小、開關速度高、開關損耗小；它的通態壓降比VDMOS還低，特別是在大電流區段；且在1/2或1/3額定電流以下區段具有負溫度系數，而在以上區段則具有正溫度系數，因此在并聯使用時具有自動調節電流的能力。另外，IGBT的安全工作區比GTR寬，而且還具有耐脈沖電流沖擊的性能，特別適于作高頻開關使用[2]。
為了使某位數制化電壓單元在關斷時能給其它單元提供電流通路，每位單元Ei在與其控制開關Si串聯后，應再與一快速恢復二極管Di反向并聯，如圖3所示。用Si＝1表示第i位單元被選通，Si＝0表示關斷，則AO端的電壓為：
為了使裝置能提供交變電壓，在輸出到負載之前須再加裝一開關換向橋，這四個換向開關也選用IGBT，以便于控制和得到與上述一致的性能。這樣當G0G3導通、G1G2關斷時，輸出端U點的電位高于V點電位；反之，當G0G3關斷、G1G2導通時，V點的電位高于U點的電位。
1.4 單片機監控電路部分
為了簡化電路、降低消耗、增強性能，本系統的監控部分主芯片擬采用80C196KC單片機和現場可編程系統器件PSD302。80C196KC是Intel公司的第二代CHMOS型真16位單片機，它在與外部設備進行數據交換和內部運算時均可采用16位操作方式，時鐘頻率可達16MHz以上，其控制IGBT開關的時間精度可達微秒級，速度比8位單片機快得多。它的指令系統也更加豐富，效率更高。另外，80C196KC還新增了一個外設事務服務器(Peripheral Transaction Server,即PTS)，大大提高了響應外設中斷的速度，增強了A/D轉換器的性能(10位/8位)。因此，它特別適合于要求實時處理、實時控制的系統[3]。
PSD302是一種功能很強的通用外圍接口芯片，它不僅可替代單片機最小系統中的地址鎖存器、譯碼器和存儲器，而且可使系統功能和可靠性大大增強。它有19根可單獨構造的I/O引腳、兩個可編程陣列、內部高速EPROM和SRAM等，可有四種工作模式供選擇，作輸入的引腳有效電平可編程，故它幾乎支持任何8位或16位微控制器[4]。
根據上述芯片的特性，可畫出監控部分的電路示意圖，如圖4所示。80C196KC的 P0.0和P0.1作為內部8通道A/D轉換器的模擬輸入端，分別檢測輸出電壓和負載電流，P0口的其它線仍可作數字輸入口用，P1口和P2.6、P2.7為準雙向口，可用于輸出監測數據和聲光報警信號，P3、P4口用作系統總線。為了防止A/D轉換器模擬輸入端過載及增強其抗尖峰干擾的能力，應分別加裝二極管箝位電路及阻容濾波電路。PSD302構造為16位多路復用模式，PA、PB口均構造為I/O輸出，分別作為VS和換分向橋的控制驅動，PC0～PC2留作備用，或作為片選輸出信號。
2 程序流程圖
本系統由80C196KC的內部定時器T0設定采樣時間間隔，T0的中斷服務程序分別采集輸出電壓和負載電流，存入PSD302的響應SRAM中。80C196KC根據采樣值與標準值的比較發出命令給PSD302，調節輸出幅值或相位。程序流程圖如圖5所示。
3 諧波分析
理論上講，利用數制化電源裝置可以產生任意形狀的電壓波形，但由于頻率很高時，IGBT的開關時間不可忽略，單片機系統的運行時間也必須加以考慮，故實際上只能得到近似的階梯狀曲線。以最常見的合成正弦電壓的情形為例來分析，并忽略二極管和IGBT的導通電壓，當VS能輸出的最高電壓與正弦電壓的峰值接近時，輸出端UV的電壓可展成傅立葉級數:
成立時，可使(2N+1+1)次以內的諧波皆為零。例如，當只有一位單元時，則觸發角α1為0.5236弧度，可使5次以內的諧波為零；當有兩位單元時，則觸發角α1，α2，α3分別為0.2037,0.4701,0.9784弧度或0.2093,0.7318,1.4953弧度，可使9次以內的諧波為零，而9次及以上各次諧波頻率與基波頻率相差很大，易用低通濾波器濾去。若再增加幾位電壓單元，例如共用八位，如果能選擇適當的觸發角，則513次以內的諧波皆為零。
4 應用
由以上分析可知，通過改變單片機的控制方式，即可獲得各種各樣的電壓波形，例如用簡單的線性插值法，可實現輸出無級可調直流電壓，因此這種數制化電源裝置首先具有通用性，可用于交直流電機的正反轉控制及調速、實驗室電源等。在輸出正弦交流電壓時，它的諧波分量比普通的PWM逆變器小得多，如不使用低通濾波器，則可消除濾波器引起的波形失真。它的控制也較簡單，可用于對電源要求較高的場合，如高精度變頻調速、不間斷電源、大功率高效D/A轉換器、多電源系統等，原則上可取代PWM。如果用于專門用途，只輸出一種電壓波形，則整個系統從硬件到軟件都可進一步優化，以簡化設計，降低成本，提高精度，增強可靠性。
隨著科學技術的不斷進步，器件的集成度越來越高、性能越來越強、功率也越來越大，用它們設計和制造出來的各種裝置也正朝小型化、高頻化、智能化、大功率方向發展。目前500kHz的VDMOS開關電源在市場上已有售。在采用諧振開關技術時，其開關頻率可進一步提高到數兆赫至幾十兆赫，效率大于80%，出現了功率密度達每立方英寸30～50W的所謂“卡片式”開關電源。但VDMOS的導通電阻與U2.5成正比，限制了它在高頻中、大功率領域的應用。IGBT集MOS器件與雙極型器件的優點于一體，得到了越來越廣泛的應用，有取代GTR和MOSFET的趨勢。可以預見，未來的電力電子開關器件具有導通壓降更低、開關速度更高、損耗更小等特點，與現代控制理論相結合的數制化電源裝置功能也將進一步增強，徹底取代PWM等也將成為必然。
參考文獻
1 何紹雄，於岳亮.電源裝置的統一化和數制化——波形重組合技術.上海交通大學學報，1992；26(3)：1～7
2趙良炳.現代電力電子技術基礎.北京:清華大學出版社,1995
3龔金水.PVI系列正弦波高效率逆變器.電工電能新技術. 1991(3):48－53
4孫涵芳.Intel 16位單片機.北京:北京航空航天大學出版社,1995
5許少云，李偉鵬.現場可編程系統器件PSD原理、開發與應用. 北京: 電子工業出版社,1996