基于TMS320LF2407A的模块化直流电源设计

1 引言

　　模块化分布式电源较传统集中供电系统具有可靠性高、效率高、体积小、使用方便等特点，但需配以可靠的均流措施保证模块间电应力和热应力均匀分配。本文提出一种模块化大功率直流电源，单个电源模块以DSP为核心，采用高频开关功率变换技术，实现多模块并联运行的稳压和均流。

　　2 电源整体设计

　　以直流22 V～30 V的电压调节范围、4 kW功率的电源为基本模块，采用PWM控制方式，通过改变PWM的占空比来控制输出。基本模块的主电路采用半桥拓扑；而控制电路则以TMS320LF2407A为核心，实现稳压、限流、均流功能，以保护电路包括输入电压检测、输出过流检测、输出过压检测和整机过热检测等。

　　3 基本模块的硬件设计

　　电源模块电路原理如图1所示。由于半桥结构中原边开关管的电压应力最小，因此对于离线式开关电源。电路中L1为电路主滤波电感，电感量较大；L2为辅助电感，电感量较小，主要用于进一步减小输出开关噪声。

　　单个电源模块的额定功率为4 kW，额定输出电压为28 V，考虑到过载问题，实际输出电流最大值为150 A。根据变压器原边和副边功率相等，估算流经功率模块的电流。考虑三相交流电源电压在±15％范围内波动，以最小输入电压计算，半桥变换器变压器原边绕组电压为230 V，则流过变压器原边绕组，也就是功率模块的最大电流为18.3 A，功率模块受到的反压为三相整流电压；以三相交流电压的最大值计算电压为618 V，为保证器件可靠工作，其电源模块的额定电流是工作电流的2倍以上。因此，选用三菱公司的IGBT模块CM100DY-24NF，其额定电流为100 A，耐压为1 200 V，采用两单元半桥结构。
　
　　控制电路主要由TMS320LF2407A子系统、A／D输入、调压、上电保护等电路组成。其中TMS320-LF2407A子系统主要包括时钟、复位、JTAG仿真接口和供电系统。

　　4 TMS320LF2407A的软件设计

　　TMS320LF2407A DSP作为电源模块的控制核心，通过改变输出PWM的占空比实现调压、均流等功能。主程序在完成系统初始化、A／D初始化、定时器开启后就处于等待中断状态，各功能模块通过中断服务程序来实现。

　　4.1 稳压功能的软件设计

　　传感器输出电压信号，经滤波、采样后，与给定电压信号相比较，将其偏差送至PID调节器，改变PWM的占空比，使输出电压保持恒定。其中PID调节器采用将模拟PID控制规律离散化并加以改进的增量式PID控制算法，控制简单、参数易于整定，只需前后3次测量偏差，即可以求出占空比的控制增量。

　　4.2 均流功能的软件设计

　　对于若干个电源模块并联的电源系统有多种方法实现均流功能，如输出阻抗法、主从均流法、自动均流法，民主均流法等。该电源系统模块采用自动均流法(又称外加均流控制器法)，这种方法需用一根带宽较窄的通信线(称为均流母线)连接各模块。均流母线电压与各模块电流的平均值成正比。本电源系统模块以TMS320LF2407A同时作为稳压和均流的控制器，将平均值自动均流法加以改进，通过环流误差和负载电流的采样数据计算平均电流并设定均流阈值，每个电源模块根据各自负载电流和环流的具体数值决定是否参与均流，这样可以精确实现均流，同时还避免了自动均流法易于出现故障和不稳定问题。图2所示为均流子程序的流程图。

　　5 结束语

　　除上述设计，为保证电源的可靠高效工作，本模块化电源系统还设计了浪涌电流抑制电路、广义软开关--吸收电路、保护电路，并对主电路和控制电路设计了防电磁干扰。最终研制了系列直流电源四台。输入电压为三相三线交流380 V。输出电压为直流28 V，额定容量分别为4 kW、8 kW(均流误差<2％)、16 kW(均流误差<3％)、24 kW(均流误差<5％)。

　　现以TMS320LF2407A DSP为控制核心，实现了多模块并联运行大功率数字化直流开关电源的设计，经试验测试和实际使用，电源工作稳定，稳压和均流效果良好，达到了预期的要求。