一种高效率直流大电流源及其调控方法 |
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| 申请号 | CN201710710284.7 | 申请日 | 2017-08-18 | 公开(公告)号 | CN107294374A | 公开(公告)日 | 2017-10-24 |
| 申请人 | 湖南银河电气有限公司; | 发明人 | 刘永刚; 翟昌伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种高效率直流大 电流 源，包括至少一个电流源单件，电流源单件包括 电压 可调 电路 、反馈控制电路和电流测量电路；电压可调电路包括至少一个DC-DC结构，DC-DC结构包括DC-DC变换器和电压缓冲电路；电流测量电路包括输出电流测量值输出端和电流输出端。应用本发明的大电流源，效果是：可将多个电流源或DC-DC结构并联设置，多个电流源或DC-DC结构可并行工作，获得更大的电流输出，适用性强；将功率管替换为DC-DC变换器形式，通过 开关 电源的方式优化了 能源 利用效率；电压可调电路可在反馈控制电路的控制下输出较宽范围的稳定电压，提升了电流源对负荷的适应范围。本发明还公开一种上述大电流源的调控方法，调控过程精简，便于使用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高效率直流大电流源，其特征在于：包括一个电流源单件或者至少两个并联设置的电流源单件；所述电流源单件包括电压可调电路(1)、反馈控制电路(2)以及电流测量电路(3)； |
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| 说明书全文 | 一种高效率直流大电流源及其调控方法技术领域[0001] 本发明涉及电学技术领域，特别地，涉及一种高效率直流大电流源及其调控方法。 背景技术[0002] 电流源作为电源的一个类别，是一种基础的电学设备。大电流源在测试领域，如分流器测试、大功率设备测试等，具备广泛的应用。 [0003] 传统的大电流源采用线性稳压方式，效率较低，往往功率巨大，系统庞大，占用大量空间，且对散热要求高，大多为水冷散热。随着开关电源技术的引入，使用开关技术代替线性稳压技术，电源的效率大大提升，功率密度大幅增加，且大大降低了散热需求。DC-DC变换器作为最常用的开关电源技术，获得了广泛应用。DC-DC变换器结构实际上是一种电压源，输出恒定或可调节的电压，其用于系统控制的反馈信号是电压信号，并非电流信号，不能直接作为电流源使用。电流源需要使用电流信号作为反馈信号。 [0004] 现有的电流源的结构主要有以下两种： [0005] 第一种，如图1所示，电流源采用线性稳压方式，在接阻性负载的情况下，由于负载在特定电流下的压降是固定的，功率管输入电压也是固定的，在控制器的控制下，两者电压之差，会降在功率管上。考虑到电流源要适应一系列的不同负载，输入电压的值(即DC-DC变换器的输出电压)不能太低，这个电压降往往比较可观，造成功率管上承受巨大功耗，需要大量的散热措施，尤其是输出电流比较大的情况下。同时，大量能量作为发热损失掉了，系统效率低下。DC-DC变换器将高直流电压(一般为AC供电经整流后得到)降低为合适的低电压，其输出电压需要高于最大负载阻抗与最大输出电流的乘积。此结构实现更大功率的输出，只能通过增大功率管容量、加强散热等措施，这使得系统的成本大大提升，散热结构设计复杂，且占用大量空间。 [0006] 第二种，如图2所示，此结构是在第一种结构基础上做了改进(第二DC-DC变换器相当于图1中的DC-DC变换器)，为了提升效率引入了开关电源技术，引入的第一DC-DC变换器作为一个电压源，输出电流的调节通过第一DC-DC变换器的输出电压来实现，这个过程需要手动调节，十分不便。另一方面，第一DC-DC变换器最低输出电压是有下限的，如果负载上要求的压降低于此值，则无法输出。这也限制了其应用范围。 [0007] 因此，设计一种具有结构精简、输出效率高且适用性强的高效率直流大电流源具有重要意义。 发明内容[0008] 本发明的第一目的在于提供一种具有结构精简、输出效率高且适用性强的高效率直流大电流源，具体技术方案如下： [0009] 一种高效率直流大电流源，包括一个电流源单件或者至少两个并联设置的电流源单件；所述电流源单件包括电压可调电路、反馈控制电路以及电流测量电路； [0010] 所述电压可调电路的输入端与电源输入电路连接，其包括一个DC-DC结构或者至少两个并联设置的DC-DC结构，所述DC-DC结构包括可电调节输出的第一DC-DC变换器以及电压缓冲电路； [0011] 所述反馈控制电路能对输出电流大小进行设定，所述反馈控制电路的输出端与所有的所述第一DC-DC变换器的控制输入端连接；所述第一DC-DC变换器的输出端与同一DC-DC结构中的所述电压缓冲电路的输入端连接，所有的所述电压缓冲电路的输出端均与所述电流测量电路的输入端连接； [0012] 所述电流测量电路包括输出电流测量值输出端和电流输出端，所述输出电流测量值输出端与所述反馈控制电路连接用于反馈输出电流测量值，所述电流输出端与电流输出电路连接用于输出电流。所述电流测量电路用于测量输出电流的值。 [0013] 以上技术方案中优选的，所述电流源单件还包括第二DC-DC变换器，所述第二DC-DC变换器的输入端与电源输入电路连接，所述第二DC-DC变换器的输出端与所述电压可调电路中所有的所述第一DC-DC变换器的电源输入端连接。 [0014] 以上技术方案中优选的，所述反馈控制电路包括用于比较输出电流设定值和输出电流测量值大小的比较器。 [0018] 以上技术方案中优选的，所述电压缓冲电路包括串联设置的三组肖特基二极管组，所述肖特基二极管组包括一个肖特基二极管以及与所述肖特基二极管并联设置的开关；所述开关为机械开关以及半导体开关中的至少一种。 [0019] 以上技术方案中优选的，所述电压缓冲电路包括一个功率管、反馈支路选择电路以及控制开关，所述反馈支路选择电路用于控制所述控制开关连通所述反馈控制电路和所述第一DC-DC变换器或功率管。所述功率管可为BJT、MOSFET、IGBT或其它类型。 [0022] 应用本发明的高效率直流大电流源，效果是：(1)本发明的电流源包括一个电流源单件或者至少两个并联设置的电流源单件，所述电压可调电路包括一个DC-DC结构或者至少两个并联设置的DC-DC结构，可根据实际情况将多个电流源并联或者DC-DC结构并联设置，多个电流源或DC-DC结构可同时工作，获得更大的电流输出，适用性强；(2)本发明的电流源将功率管替换为DC-DC形式，通过开关电源的方式大大优化能源的利用效率，系统效率大大提升，发热极大减小，散热结构大大简化；(3)本发明中电压可调电路(一个或多个DC-DC结构)中采用第一DC-DC变换器和电压缓冲电路的结合，将功率管替换为DC-DC变换器形式，电压可调电路可在反馈控制电路的控制下输出较宽范围的稳定电压，提升了电流源对负荷的适应范围，且便于操作；(4)反馈控制电路中设有比较器、电压缓冲电路的具体结构以及电流测量电路的具体结构，部件容易获得，结构精简，且能实现所需功能，实用性强；(5)所述电压缓冲电路的结构多种多样，能满足其上压降的控制即可，实用性强。 [0023] 本发明还公开一种上述高效率直流大电流源的调控方法，具体包括以下步骤： [0024] 步骤a、连接好电压可调电路、反馈控制电路以及电流测量电路；若存在第二DC-DC变换器，连接好电压可调电路、反馈控制电路、电流测量电路以及第二DC-DC变换器； [0025] 步骤b、设定反馈控制电路输入端的输出电流设定值； [0026] 步骤c、通过反馈控制电路中的比较器对输出电流设定值和输出电流测量值的大小进行比较：若输出电流设定值与输出电流测量值不相等，则进行调整；若输出电流设定值与输出电流测量值相等，则比较器的控制电压稳定下来，电压可调电路的输出电压确定； [0027] 所述调整具体是：若输出电流设定值大于输出电流测量值，则比较器输出一个控制电压，控制所述电压可调电路减小输出电压；若输出电流设定值小于输出电流测量值，则比较器输出一个控制电压，控制所述电压可调电路增大输出电压。 [0028] 为了达到更好的技术效果，还包括对电压可调电路输出的电压值进行检测作为开关切换的依据，通过控制电压缓冲电路中开关的打开或关闭来控制电压可调电路输出的电压值的大小； [0029] 或者是，或通过检测电流输出端的电压值作为开关切换的依据，通过控制电压缓冲电路中开关的打开或关闭来控制电流输出端的电压值的大小。避免能量的浪费，提升整体效率。 [0030] 应用本发明的调控方法，效果是：(1)调控步骤精简，便于实际应用；(2)利用电压可调电路的属性，直接通过改变反馈控制电路输入端的输出电流大小即可实现调控，对操作人员的要求低，节省成本；(3)为了避免陷入死循环，设定一定的洄滞，确保应用的安全性能。 附图说明[0033] 图1是现有技术中第一种电流源的结构示意图； [0034] 图2是现有技术中第二种电流源的结构示意图； [0035] 图3是本发明实施例1中电流源的结构示意图； [0036] 图4是图3中第一DC-DC变换器的结构简图； [0037] 图5(a)是图3中电压缓冲电路的第一种结构示意图； [0038] 图5(b)是图3中电压缓冲电路的第二种结构示意图； [0039] 图5(c)是图3中电压缓冲电路的第三种结构示意图； [0040] 图5(d)是图3中电压缓冲电路的第四种结构示意图； [0041] 图6(a)是图5(d)中开关的一种控制示意图； [0042] 图6(b)是图5(d)中开关的另一种控制示意图； [0043] 图7(a)是图6(a)中电流增大过程时电压可调电路输出的电压值和输出电流的关系图； [0044] 图7(b)是图6(a)中电流减小过程时第一DC-DC变换器输出的电压值和输出电流的关系图； [0045] 图7(c)是图6(b)中电流增大或减小过程中电流输出端的电压值和输出电流的关系图； [0046] 图8是图3中反馈控制电路的原理图； [0047] 图9是本发明实施例2中电流源的结构示意图； [0048] 图10是实施例2中电流输出端的电压值、第一DC-DC变换器的输出电压值和输出电流的关系图； [0049] 图11是本发明实施例3中的电流源结构示意图； [0050] 图12是本发明实施例4中的电流源结构示意图； [0051] 其中：1、电压可调电路，1.1、DC-DC结构，1.11、第一DC-DC变换器，1.111、Buck变换器控制器，1.112、驱动器，1.113、电感，1.114、电容，1.115、电阻，1.12、电压缓冲电路，2、反馈控制电路，2.1、比较器，2.2、Iset调理电路，2.3、Isen调理电路，2.4、环路调理电路，3、电流测量电路，3.1、输出电流测量值输出端，3.2、电流输出端，4、第二DC-DC变换器； [0052] r1、二极管，r2、肖特基二极管，r2.1、第一级肖特基二极管，r2.2、第二级肖特基二极管，r2.3、第三级肖特基二极管，r3、开关，r3.1、第一级开关，r3.2、第二级开关，r3.3、第三级开关，r4、功率管，r5、反馈支路选择电路，r6、控制开关。 具体实施方式[0054] 实施例1： [0055] 一种高效率直流大电流源，详见图3，包括一个电流源单件，所述电流源单件包括电压可调电路1、反馈控制电路2以及电流测量电路3。 [0056] 所述电压可调电路1包括一个DC-DC结构1.1，所述DC-DC结构1.1包括第一DC-DC变换器1.11以及电压缓冲电路1.12。 [0057] 整个电流源的连接关系如下：所述反馈控制电路2能对输出电流大小进行设定，所述反馈控制电路2的输出端与所有的所述第一DC-DC变换器1.11的控制输入端连接；所述第一DC-DC变换器1.11的输出端与所述电压缓冲电路1.12的输入端连接，所述电压缓冲电路1.12的输出端与所述电流测量电路3的输入端连接；所述电流测量电路3包括输出电流测量值输出端3.1和电流输出端3.2，所述输出电流测量值输出端3.1与所述反馈控制电路2连接用于反馈输出电流测量值，所述电流输出端3.2与电流输出电路连接用于输出电流。 [0058] 上述第一DC-DC变换器1.11结构详见图4，具体是：拓扑结构采用了可电调节输出电压的Buck型(即降压型)DC-DC变换器结构，其包括Buck变换器控制器1.111、驱动器1.112、电感1.113、电容1.114和电阻1.115。Buck变换器控制器1.111根据输入信号Vcon的大小，和内部基准电压Vref进行比较，输出一定占空比的PWM信号，经过驱动器1.112放大、电感1.113和电容1.114构成的低通滤波器滤波后，得到的输出电压Vout经过电阻1.115分压得到反馈电压Vfb。该结构引入了另一个控制电压信号Vset，将Vset和Vfb相加的信号Vcon，作为Buck变换器控制器1.111的输入控制。驱动器1.112(内部包括功率管和功率管驱动电路)将输入的PWM信号转换为功率信号，即相当于对输入信号进行功率放大，其输出经过电感1.113、电容1.114处理，最后得到输出电压Vout。反馈控制的结果是：Vout与Vset建立一一对应的关系，即可通过改变Vset的值来改变Vout。这就实现了输出电压的电信号调节，在特定负载阻抗下，电压的变化会导致电流同比例的变化。 [0059] 上述电压缓冲电路1.12的结构可优选四种，如图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)，具体是： [0060] 图5(a)中使用一级二极管r1消耗掉电压，也可以采用多个二极管进行并联设置。 [0061] 图5(b)中采用二极管r1和一个开关r3并联，当需要二极管r1来缓冲电压时，开关r2打开，二极管r1导通；当不需要二极管r1缓冲时，开关r3闭合，此时二极管r1被旁路，电流从开关r2经过，二极管r1上不再承受功耗和发热，提升系统效率，降低散热要求。 [0062] 开关r3的控制，可通过检测电流输出端的电压Vload(即负载上的压降)作为开关r3切换的依据，高于阈值V0H时开关r3闭合，低于阈值V0L时开关r3打开。V0H高于V0L，引入一定洄滞，避免控制进入循环状态。 [0063] 图5(c)中使用三级肖特基二极管r2(三级肖特基二极管构成一个肖特基二极管组)消耗掉电压，也可以采用多个肖特基二极管组进行并联设置。此种结构在输出电流较大情况下，肖特基二极管组上仍然会有比较大的功耗。 [0064] 图5(d)采用三组肖特基二极管组，单组肖特基二极管组包括一个肖特基二极管r2和与其并联设置的开关r3，由输入端至输出端：开关r3依次排列的是第一级开关(标号为r3.1)、第二级开关(标号为r3.2)和第三级开关(标号为r3.3)，肖特基二极管r2依次排列的是第一级肖特基二极管(标号为r2.1)、第二级肖特基二极管(标号为r2.2)和第三级肖特基二极管(标号为r2.3)。 [0065] 每一组都可以独立控制，当达到每一组的释放电压时，该组的开关r3闭合，将肖特基二极管r2旁路，此级不再消耗功率。为了避免进入死循环，设定一定的洄滞，具体如下：对电压可调电路输出的电压值Vout进行检测或通过检测电流输出端的电压Vload(即负载上的压降)作为开关r3切换的依据，通过控制电压缓冲电路中开关r3的打开或关闭来控制V的大小，详情如下： [0066] 第一种：对电压可调电路输出的电压值Vout进行检测作为开关(包括第一级开关、第二级开关和第三级开关)切换的依据，详见图6(a)、图7(a)和图7(b)所示：当Vout大于等于VH或者小于等于VL时，通过控制电压缓冲电路中开关的打开或关闭来控制Vout的大小，其中：VH为设定的切换电压上限值，VL为设定的切换电压下限值。 [0067] 第二种：通过检测电流输出端的电压Vload(即负载上的压降)作为开关(包括第一级开关、第二级开关和第三级开关)切换的依据，详见图6(b)和图7(c)所示，图6(b)的控制逻辑与图6(a)所示的控制逻辑不同点在于：用于开关切换逻辑的电压采样点不同，具体是：V1H/V1L、V2H/V3L、V3H/V3L的电压依次升高，它们分别引入电压洄滞，V1、V2、V3后缀H电压略高于后缀L，但前一级H低于后一级L的电压，即V1L [0068] 图6(a)和图6(b)中：开关状态0代表打开，1代表闭合；如状态001代表第一级开关、第二级开关打开及第三级开关闭合，按此推理。图6(a)和图6(b)两者中三级开关位置可任意相互调换，不影响控制逻辑。 [0069] 所述反馈控制电路2包括比较器2.1、Iset调理电路2.2、Isen调理电路2.3和环路调理电路2.4，其原理图详见图8，通过闭环负反馈，实现输出电流等于设定电流。比较器2.1用于比较输出电流设定值和输出电流测量值大小，Iset调理电路2.2是对设定的电流进行信号调理，Isen调理电路2.3是对输出的电流进行信号调理，使得输入比较器的信号电平一致。环路调理电路2.4为可选项(即根据实际情况选择有还是没有)，环路调理电路设置的目的是改善反馈环路的稳定性和动态特性等，可采用PID控制器或其简化形式。 [0070] 所述电流测量电路3可采用电阻(或分流器)上的压降来测量通过的电流，如采用流过输出电流的电阻和用于放大所述电阻上压降的放大器的组合；也可采用其他电流测量方式，如电流传感器等。 [0071] 应用本实施例的电流源，具体调控方法包括以下步骤： [0072] 步骤a、连接好电压可调电路1、反馈控制电路2以及电流测量电路3； [0073] 步骤b、设定反馈控制电路2输入端的输出电流设定值； [0074] 步骤c、通过反馈控制电路2中的比较器2.1对输出电流设定值和输出电流测量值的大小进行比较：若输出电流设定值与输出电流测量值不相等，则进行调整；若输出电流设定值与输出电流测量值相等，则比较器的控制电压稳定下来，电压可调电路1的输出电压确定； [0075] 所述调整具体是：若输出电流设定值大于输出电流测量值，则比较器输出一个控制电压，控制所述电压可调电路1减小输出电压，从而减小输出电流；若输出电流设定值小于输出电流测量值，则比较器输出一个控制电压，控制所述电压可调电路1增大输出电压，以增大输出电流。 [0076] 应用本实施例的技术方案，效果是：本发明的电流源将功率管替换为DC-DC形式，通过开关电源的方式大大优化能源的利用效率；本发明中DC-DC结构中采用第一DC-DC变换器和电压缓冲电路的结合，实现输出电压可调节，在反馈控制电路的控制下输出合适的电压，系统效率大大提升，发热极大减小，散热结构大大简化；反馈控制电路中设有比较器、电压缓冲电路的具体结构以及电流测量电路的具体结构，部件容易获得，结构精简，且能实现所需功能，实用性强；调控步骤精简，便于实际应用；利用电压可调电路的属性，直接通过改变反馈控制电路输入端的输出电流大小即可实现调控，对操作人员的要求低，节省成本。 [0077] 实施例2： [0078] 本实施例与实施例1不同之处在于： [0079] 所述电压缓冲电路1.12包括一个功率管r4、反馈支路选择电路r5以及控制开关r6，所述反馈支路选择电路r5用于控制所述控制开关r6连通所述反馈控制电路2(电压设定为Vk)和所述第一DC-DC变换器1.11或功率管r4。所述控制开关优选单刀双掷开关，详见图9。 [0080] 所述反馈支路选择电路r5用来比较电流输出端电压值Vload和第一DC-DC变换器的最低输出电压值V0的大小和控制控制开关r6的动作，具体控制原理如下：当Vload不高于V0时，反馈支路选择电路r5控制所述控制开关r6选通所述功率管r4的支路；反之，Vload高于V0时，选通所述第一DC-DC变换器1.11的支路，具体是：当Vload不高于V0时，Vset取固定值，使得第一DC-DC变换器1.11的输出为V0，此时，所述反馈支路选择电路r5用于控制所述控制开关r6连通所述反馈控制电路2和所述功率管r4，即反馈控制电路2的输出经所述控制开关r6的输出Vset2控制调节功率管r4的压降(此时Vset2＝Vk)；当Vload高于V0时，所述反馈支路选择电路r5用于控制所述控制开关r6连通所述反馈控制电路2和所述第一DC-DC变换器1.11，即反馈控制电路2的输出经所述控制开关r6切换到控制第一DC-DC变换器1.11，通过Vset改变第一DC-DC变换器1.11的输出电压(此时Vset＝Vk)，此时Vset2取固定值，使得功率管r4处于饱和导通状态。所述控制开关r6至少有1个公共端和2个选择端，即至少为单刀双掷开关，控制开关r6中：公共端连接Vk，2个选择端分别连接Vset和Vset2。Vout与Vload的关系如图10所示，其中实线代表Vload，虚线代表Vout。 [0081] 实施例3 [0082] 本实施例的大电流源的结构如图11所示，与实施例1不同之处在于：所述电压可调电路1包括N个并联设置的DC-DC结构1.1，N为大于等于2的自然数；还包括第二DC-DC变换器4；所述第二DC-DC变换器4的输出端以及所述反馈控制电路2的输出端均同时与所有的所述第一DC-DC变换器1.11的电源输入端连接，所述第一DC-DC变换器1.11的输出端与同一DC-DC结构1.1中的所述电压缓冲电路1.12的输入端连接，所有的所述电压缓冲电路1.12的输出端均与所述电流测量电路3的输入端连接；调控过程中：先连接好电压可调电路1、反馈控制电路2、电流测量电路3以及第二DC-DC变换器4，再进行相应操作(同实施例1)。 [0083] 应用本实施例的技术方案，电流测量电路同时对多个DC-DC结构输出的电流值进行检测并反馈给反馈控制电路；反馈控制电路针对每一个DC-DC结构将其输出的电流值与设定的电流值大小进行比较，并将同时反馈给多个DC-DC结构中的第一DC-DC变换器(此值可以相同，也可以不同，根据实际情况确定)。 [0085] 采用本实施例的技术方案，与实施例1比较，在输出电流倍增的同时，还可大大降低输出纹波。 [0086] 实施例4 [0087] 本实施例与实施例1不同之处在于：一种高效率直流大电流源，包括N个并联设置的电流源单件，N为大于等于2的自然数，详见图12。 [0088] 应用本实施例的技术方案，与实施例1比较，将实施例1中的电流源作为一个独立的电流源，并将多个相同的电流源进行并联设置，可获得更大的电流输出，满足不同的需求。 [0089] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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