直流電子負載設(shè)計與實現(xiàn)

申屠磊璇

（武漢理工大學(xué),430070）

0 引言

0.1 研究背景

隨著科技的進步，各類電力電子產(chǎn)品應(yīng)用越來越廣泛，各種電源設(shè)備被大量使用。在日常生活中，各類家用電器都配有各自的電源設(shè)備，沒有穩(wěn)定可靠的電源，電器無法穩(wěn)定正常地工作。在工業(yè)上電源設(shè)備的重要性尤為突出，特別是UPS 電源設(shè)備。UPS的主要負載是分散控制系統(tǒng)DCS，報警、保護、調(diào)節(jié)設(shè)備，計算機監(jiān)測系統(tǒng)，以及其他自動和保護裝置等。DCS 是裝置控制，操作監(jiān)視的核心，一些重要的數(shù)據(jù)，圖像和文字都是由DCS 系統(tǒng)來進行處理，存儲和傳送。DCS 系統(tǒng)時時都要對生產(chǎn)過程中的工藝變量（溫度、壓力、流量、物位、濃度等）進行監(jiān)測監(jiān)控，因此DCS 一旦失電，整個生產(chǎn)裝置將陷入一片混亂，操作人員無法對裝置進行控制，操作和監(jiān)視。輕則造成裝置停車，重則就會出現(xiàn)爆炸等惡劣事故，造成設(shè)備損壞及人身傷亡。在通信行業(yè)，通信電源的性能直接影響到通信設(shè)備的發(fā)射功率、信號質(zhì)量和穩(wěn)定工作，通信電源出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致局部地區(qū)的通信故障或者通信質(zhì)量的下降，在信息化高度發(fā)達的今天，通信中斷造成的損失是很大的，無法估測。因此為保障電源各種性能符合應(yīng)用要求，電源測試工作的重要性日益顯著，測試對象不但包括航空電源，各種 PC 電源、適配器、LED 驅(qū)動器、UPS、電動車充電器、鋰電池、光伏電池、燃料電池等。其中如鋰離子電池、燃料電池等高能量密度電池被越來越廣泛地應(yīng)用到汽車、航空、通信、消費電子等領(lǐng)域。鋰電池、燃料電池由于單體電池電壓低，測試過程和測試參數(shù)不像普通電源設(shè)備一樣單一，所以要求測試設(shè)備具有很寬的測量電壓范圍，響應(yīng)速度快，測試功能全面等。

測試電源在實際工作條件下的工作狀態(tài)，通常采用模擬真實負載測試方法進行測試。負載是指用來吸收電源輸出電能的裝置，它將電源輸出的電能吸收并轉(zhuǎn)化為其他形式的能量儲存或消耗掉。負載的種類繁多，根據(jù)其在電路中表現(xiàn)的特性可分為阻性負載、容性負載、感性負載和混合性負載。通過模擬各種負載狀態(tài)，測試電源設(shè)備在不同條件下的穩(wěn)定性和可靠性，從而發(fā)現(xiàn)電源設(shè)備的缺陷并加以改進和完善。

1 設(shè)計方案選擇與分析

1.1 主拓撲結(jié)構(gòu)選擇

能耗型直流電子負載的輸入電壓范圍很寬，最小輸入電壓很小，控制精度很高，穩(wěn)定性強，能耗型直流電子負載一般選用功率MOSFET 或者晶體管作為主功率器件，利用功率MOSFET 或者晶體管的耗散功率消耗電能。

1.2 總體方案框圖和實現(xiàn)方法分析

確定整體方案基本框架為由面板上人機交互界面輸入預(yù)設(shè)的功能和參數(shù)，由控制器輸出控制信號給若干路并聯(lián)的單管MOSFET 支路，所有并聯(lián)的支路總和后外接待測電源。各支路反饋信號回送到控制器進行運算處理?？倛D方案框圖如圖1 所示。

恒流模式可以通過總電流信號的反饋，由控制器直接控制給定電壓，來達到預(yù)設(shè)的電流值。恒電壓模式則通過采集電壓信號作為反饋，由控制器控制給定電壓，調(diào)整電流大小，使得電壓達到預(yù)設(shè)值。恒電阻模式通過采集電流和電壓的信號，在控制器中進行運算，判斷電阻值的大小，通過調(diào)整電流大小，使電阻值恒定。恒功率模式通過采集電流和電壓信號，乘積即為功率，控制電流大小，保證乘積達到預(yù)設(shè)值，即工作在恒功率模式。所以在控制方式上，其本質(zhì)就是電流控制技術(shù)。

由于單管MOSFET 的耗散功率一般不是很大，為了留有余量，且功率能穩(wěn)定達到1200W，所以設(shè)計用多個管子并聯(lián)工作，這樣既減小的每個管子的熱功率，保證每個管子的正常運行，又可以將熱量均勻地分散到散熱器上，有助于散熱。

多管并聯(lián)的控制方法可以通過總電流集中反饋，然后集中控制所有MOSFET。這種方式電路簡單，但是由于集中控制，控制信號相同，但是每個MOSFET 的特性不同，所以導(dǎo)致流過每個管子的電流不盡相同，發(fā)熱量也不同?？赡茉斐删植繋讉€MOSFET 發(fā)熱過大，導(dǎo)致器件損壞。另一種方式是單管獨立反饋，集中控制。每個MOSFET 配合一個采樣電阻反饋電流信號，控制信號共用，微調(diào)反饋信號的放大倍數(shù)，使相同控制信號下，每個管子的電流基本一致。雖然電路復(fù)雜一點，但是性能會穩(wěn)定很多。

由于該設(shè)計要使瞬態(tài)響應(yīng)達到20kHz，所以在電流信號的反饋回路上，應(yīng)該盡量減少延遲，所以對于信號的處理必須減小積分等延遲環(huán)節(jié)，由此帶來的問題就是信號的濾波減弱，反饋的信號質(zhì)量不高，可能會產(chǎn)生震蕩，所以在反饋回路的設(shè)計中要選擇好合適的參數(shù)。

在電路保護上，由于實時采集電流和電壓信號，所以設(shè)計使用軟件保護來完成對過電流、過電壓、過功率保護。過溫度保護使用溫度開關(guān)，每個功率管都配有一個溫度開關(guān)，分別保護本支路MOSFET，超過安全溫度后將支路切除，并反饋信號給控制器。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 散熱器建模

2 電路設(shè)計

2.1 主功率電路設(shè)計

主功率板的設(shè)計，考慮到安裝和空間分布的問題，設(shè)計將20個MOSFET 分為兩塊，每個功率板上有10 個管子，對稱分布在功率板兩側(cè)，構(gòu)成5 對結(jié)構(gòu)相同的重復(fù)單元。控制信號為公共信號，每個管子的電流信號單獨反饋，形成電流內(nèi)環(huán)。5 個相同單元的電路圖 。圖中雙路繼電器控制MOSFET 給定的信號切斷和導(dǎo)通，繼電器處于常開狀態(tài)，需要控制器給定工作信號，才能使繼電器導(dǎo)通，給定信號才能送達到MOSFET 柵極，驅(qū)動管子導(dǎo)通，同時繼電器的工作狀態(tài)反饋回控制器。在工作信號的同路中，P1、P2為兩個MOSFET 配套的溫度開關(guān)。溫度開關(guān)的動作溫度為65℃，處于常閉狀態(tài)。當(dāng)兩個管子任意一個周邊溫度超過65℃時，溫度開關(guān)斷開。驅(qū)動繼電器工作的信號就切斷了，繼電器停止工作，MOSFET 的給定信號也被切斷，兩個MOSFET 被切除。這樣就完成了硬件過溫保護。圖中還有兩個比較器，用作硬件過電流保護。當(dāng)采樣電阻上的電壓超過設(shè)置的閾值電壓時，比較器有輸出，通過線與關(guān)系，也就是任意一路出現(xiàn)過流，都會產(chǎn)生過流信號，送回控制器處理。

2.2 散熱器設(shè)計

設(shè)計中散熱器采用的是由風(fēng)扇對散熱翅片進行強制風(fēng)冷。風(fēng)扇采用的是DELTA 臺達公司的FFB0912SHE 型直流風(fēng)扇。額定電壓DC12V，額定電流1.13A，額定轉(zhuǎn)速4400rpm，最大風(fēng)量170.4m3/h。翅片散熱器選擇的是亞太散熱器公司的標(biāo)準(zhǔn)尺寸散熱片。對多種散熱器進行了建模和熱分析，最后得到體積小，散熱效果好的翅片散熱器。

散熱器設(shè)計可以通過熱分析軟件進行仿真設(shè)計。熱分析軟件有很多，本設(shè)計中使用的是ANSYS Icepak。熱分析建模如圖2 所示。

系統(tǒng)采用的是雙風(fēng)扇直吹結(jié)構(gòu)，兩個翅片散熱器翅片相對放置，形成導(dǎo)風(fēng)通道。每個散熱器上均勻分布10 個代表MOSFET 的發(fā)熱源。按照直流電子負載的最大功率1200W 計算，每個發(fā)熱源的功率應(yīng)該設(shè)置為60W，發(fā)熱面積為MOSFET 背部導(dǎo)熱層的面積。對整個系統(tǒng)進行仿真計算，從ANSYS Icepak 中可以看到散熱片上各個部分的溫度。溫度云圖如圖3 所示。

從溫度云圖上我們可以看出，發(fā)熱源中心地帶為溫度最高區(qū)域，而且越遠離風(fēng)扇的區(qū)域，溫度相對就越高。這是由于風(fēng)從前向后流動的時候帶走熱量，使得空氣溫度升高，到達后半部分時，溫差已經(jīng)有所減小，所以熱對流就減少了，散熱效果就不及靠近風(fēng)扇的部位。所以在設(shè)計中應(yīng)該關(guān)注最遠離風(fēng)扇的位置的MOSFET發(fā)熱情況。從溫度云圖中，我們可以分析得到，功率MOSFET 的最大溫度到達75℃左右，而我們所使用的MOSFET 最大工作溫度為150℃，完全符合要求。由于設(shè)計中，溫度開關(guān)安裝位置分布在MOSFET 的旁邊，所以溫度相對中心溫度低不少，基本都低于65℃，同時考慮到溫度開關(guān)的熱傳導(dǎo)問題，選擇動作溫度為65℃的溫度開關(guān)能夠滿足溫度保護的需要。

3 仿真及實驗結(jié)果

3.1 仿真及結(jié)果

主功率部分由若干單元電路構(gòu)成，各個單元結(jié)構(gòu)相同，所以對單元電路的設(shè)計，我們進行了建模仿真，通過仿真設(shè)計合理的電路結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)。仿真采用的仿真軟件為PSPICE。

PSPICE 是由SPICE 發(fā)展而來的用于微機系列的通用電路分析程序。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美國加州大學(xué)伯克莉分校于1972 年開發(fā)的電路仿真程序。它能進行模擬電路分析、數(shù)字電路分析和模擬數(shù)字混合電路分析。

由于各項功能本質(zhì)上都是電流控制技術(shù)，所以在仿真中，只仿真單元電路的電流控制特性，包括動態(tài)恒流特性、響應(yīng)時間等。仿真原理圖如圖4 所示。

仿真結(jié)果如圖7 所示，上面為測試電源的信號，峰值的波動達到2V，下面為電流信號，可以看出，電流穩(wěn)定在4A，不受測試電源電壓波動影響，達到恒流效果，且與計算值相同，說明電路的穩(wěn)態(tài)負載特性良好。

將給定信號換成頻率為20kHz，幅值為2V 的脈沖信號，對電子負載的瞬態(tài)特性進行仿真。仿真結(jié)果如圖6 所示。

3.2 實驗結(jié)果

3.2.1 恒流模式性能測試

恒流模式下，對采樣電阻電壓信號進行測試，可得到電流PID 調(diào)節(jié)曲線如圖7 所示。

圖4 單元電路仿真原理圖

圖5 仿真結(jié)果

圖6 仿真結(jié)果

圖7 電流PID 調(diào)節(jié)曲線

從圖中可以看出，PID 調(diào)節(jié)無超調(diào)，上升時間約為10ms，調(diào)節(jié)時間不足100ms，穩(wěn)態(tài)特性良好。

對恒流模式控制精度測試，0～10A 檔如下表1 所示，0～100A 檔如下表2 所示。

圖8 電壓PID 調(diào)節(jié)曲線

表1 0～10 檔恒流模式精度測試

表2 0～100 檔恒流模式精度測試

通過對0～10A 和0～100A 檔的實際測試，可以發(fā)現(xiàn)在0～10A檔和0～100A 檔都達到了較高的測量精度，且性能穩(wěn)定，數(shù)值無明顯跳動。

3.2.2 恒壓模式性能測試

恒壓模式下，對電子負載輸入端口進行測試，可得到電壓PID 調(diào)節(jié)曲線如圖8 所示。

從圖中可以看出，PID 調(diào)節(jié)無超調(diào)，上升時間約為20ms，調(diào)節(jié)時間約為100ms，穩(wěn)態(tài)特性良好。

對電壓模式控制精度測試，如下表3 所示。

3.2.3 恒阻模式性能測試

對恒阻模式下，控制精度的測試，如下表4 所示。

3.2.4 恒功率模式性能測試

對恒阻模式下，控制精度的測試，如下表5 所示。

3.3 測試結(jié)果分析

通過對設(shè)計的直流電子負載各項功能的測試，得到了主要性能參數(shù)如下表6 所示。

4 總結(jié)

本文通過對能耗型直流電子負載原理的闡述和分析，并對系統(tǒng)進行建模仿真，得到合理的設(shè)計方案。并且根據(jù)設(shè)計制作了樣機，并對各項功能進行了調(diào)試與測試。在性能上已經(jīng)達到甚至超出預(yù)期的設(shè)計要求。下面總結(jié)了設(shè)計過程中所做的重要工作。

（1）根據(jù)設(shè)計具體要求，提出了能耗型電子負載方案。并且設(shè)計了系統(tǒng)總體方案。

（2）由系統(tǒng)的總體方案設(shè)計了主功率部分電路，并通過方針驗證其原理，同時設(shè)計得到合適的反饋網(wǎng)絡(luò)，使得功率部分的響應(yīng)速度達到設(shè)計要求。然后使用主從式控制方案，主控選擇ARM處理器，輔助控制器選擇AVR 單片機，協(xié)同工作。提高了主控制器的處理效率，也解決了主控制器資源不足的問題。信號采集電路設(shè)計都采用差分式信號采集，提高了信號的采集質(zhì)量。量程分檔的方法可以解決低電流時測量精度不高的問題。然后結(jié)合熱分析軟件，合理設(shè)計了散熱器的外形和體積，有效地減小了電子負載的尺寸大小。

表3 恒壓模式精度測試

表4 恒阻模式精度測試

表5 恒功率模式精度測試

表6 能耗型直流電子負載性能表