【摘要】 介绍一种新型智能模块化高频变换220 V直流不间断电源系统的构成及其实现。整流模块采用具有高可靠性的电流型PWM整流器及双正激变换电路，分别实现三相功率因数校正和DC/DC变换，采用最大值均流控制方法实现无主均流控制，并具有CAN总线通信接口。监控模块采用80C196单片机实现电源系统的监控，并具有RS232/RS485串行通信接口及CAN总线通信接口，来实现集中监控通信及对整流模块、接地检测模块和电池巡检模块的监控通信。
【关键词】 PWM整流 开关电源 CAN总线 串行通信
Micro Computer Controlled Modular High Frequency
Conversion DC Power System
Abstract This paper presents the construction and implementation of a new micro-computer controlled modular high frequency conversion 220V uninterruptible DC power system. The rectifier module implements the 3-phase power factor correction and DC/DC conversion using highly reliable main circuit topology, and implements the current-sharing control using the maximum-current control method, it has the CAN bus communication interface. The monitor and control module utilizes the single-chip micro-computer 80C196 to implement the monitor and control of the power system, and has the RS232/RS485 communication interface for the remote monitor and control and the CAN bus for the monitor of the rectifier module, the grounding-detecting module and the battery-detecting module.
Key words PWM rectifier switch-mode power supply CAN bus serial communication
直流操作电源(220、110 V)系统在发电厂、变电站具有重要的地位，其可靠性与稳定性直接影响到发、变电运行及设备的安全性。传统的直流操作电源采用相控整流电源，具有体积大、重量大、输出电压纹波大、可维护性差等缺点。MOSFET、IGBT等高速功率半导体器件及高频磁芯的发展，使得采用高频开关变换技术实现操作电源成为可能。高频开关电源由于具有更高的效率、更小的体积和重量及更快速的动态响应，正在逐步取代传统的相控整流型一次电源。此外，对电网谐波污染的限制、电池自动充放电管理以及遥信、遥测功能的要求，使得高输入功率因数及智能化成为这种电源的发展方向。对大容量的电源系统，采用多电源模块并联运行的模块化结构方式，可更好地提高系统的可靠性和可维护性。
1 电源系统构成
为满足高可靠性及智能化等要求，本电源系统采用了图1所示的结构，它由交流配电单元、整流模块、信号转换单元、直流配电单元、监控模块、接地检测模块、电池巡检模块及远地监控计算机组成。交流配电单元输入2路380 V交流电源，2路电源互为备用；整流模块为三相输入高功率因数高频开关电源，若干台整流模块以N+1冗余方式并联运行，并以无主方式均分总负载电流，使得系统具有高可靠性；监控模块可对系统各部分进行实时监测，并自动完成电池的充放电控制；监控模块还具有RS232/RS485通信接口，可与各种RTU通信，构成系统的远地集中监控。监控模块扩展的CAN总线通信接口可与整流模块、接地检测模块及电池巡检模块通信，构成完整的电源系统监控。
图1 智能模块化高频变换直流电源系统
2 高功率因数220 V/10 A整流模块
高频开关电源性能优于相控整流电源，它能否得到广泛工业应用的关键是其可靠性，开关电源的可靠性主要取决于其主电路拓扑及控制方法。在设计该电源模块时，选用了可靠性很高的三相电流型PWM整流器，完成三相功率因数校正及双正激变换拓扑完成DC/DC变换；PWM控制采用电流型控制方法。
2.1 三相PWM整流器
三相PWM整流器主电路，每个桥臂由1只IGBT和1只二极管组成。IGBT的 驱动脉冲采用如图2所示正弦PWM调制脉冲［1］，使得输入电流Iac和输出直流电压Vd中，只含有如式(1)～(3)所示谐波。输出电压稳定于400 V。正弦PWM调制脉冲采用离线计算，并存储于EPROM芯片中，由同步触发电路和波形合成电路实时生成。同步触发时钟频率由锁相环生成，而触发计数的基地址由输出电压闭环反馈控制电路的输出电压控制。
(1)
(2)
(3)
式中 Id——输出电感中电流；
VL——输入线电压有效值；
p——0～60°区间内的脉冲数；
M——调制系数，M=U0/Um 。
PWM整流器有以下优点：(1)输入功率因数在所有负载情况下均保持不变(接近1.0)，这是因为只有调制系数M变化，输入电流相角一直与输入电压相角保持一致；(2)输入电流中低次谐波电流含量小，这可减少输入滤波电感；(3)输出直流电压稳定于400 V，使得输出DC/DC 变换器可选用500～600 V耐压器件作为开关器件，且DC/DC变换变压器和输出滤波电感利用充分，效率得到提高；(4)PWM调制脉冲易实现，成本低。
图2 正弦PWM调制波形
2.2 DC/DC变换器
2.2.1 主电路拓扑
全桥相移谐振变换拓扑是目前较实用的高效率的大功率DC/DC变换拓扑，但由于有易发生桥臂直通短路及变压器原边偏磁饱和的缺点，使其可靠性难以保证。正激变换拓扑完全避免了以上缺点，其可靠性很高，在要求高可靠性的开关电源中越来越多地被采用。本系统采用双管双正激拓扑完成DC/DC变换［2］(见图3)。
在图3中，S1、S2及D1、D2、T1、D5、D6组成第1个正激变换器；S3、S4、D3、D4、T2、D7、D8组成第2个正激变换器；这种双管单正激可降低开关管耐压要求。S1～S4采用高速IGBT器件IRG4PC40W(600 V/40 A)，开关频率为80 kHz；2个正激变换器的驱动脉冲相位相差180°；功率变压器及输出滤波电感磁心都采用H7C1材料的EE70磁心。由于输出电压较高，2个正激变换器的输出整流电路相串联，以解决整流二极管的耐压问题。L和E组成输出滤波回路。
图3 双管双正激DC/DC变换器
2.2.2 控制与保护
DC/DC变换器采用峰值电流型PWM控制，并采用最大值均流控制法实现多个模块并联运行时的均流控制，这种均流控制方法与电源模块数目无关，且任意1台故障或退出运行，均不影响其它模块的均流功能，真正实现了N+1冗余运行。
为了使电源模块在任何运行工况及环境下不会损坏，在电源内设置了以下保护：温度控制的风冷、输入交流电压欠压和过压保护、输出电流限流、输出过压保护、输出过流保护、散热器过温保护。
