技术领域
[0001] 本
发明涉及交直流电源、
电子负载和大功率变换器设备领域，尤其涉及一种用于高精度大功率变换器的智能型温度补偿装置。
背景技术
[0002] 在工业设备、信息通讯、测量控制等领域中，在设备研制、维修保障和计量测试等场合都使用着各种高精度交直流稳定电源和电子负载。近年来，随着工业化技术
水平的不断提高，对电源提出多种综合需求，环境适应性就是其中的一项重点指标。
[0003] 高精度交直流稳定电源应用广泛；其中千瓦级高性能系列产品在
环境温度为23℃±5 ℃时测试，
输出电压编程和测量精度可达到0.3‰左右，输出
电流编程和测量精度可达到 1‰左右，可以满足大部分应用场合。目前，此类电源存在的主要问题有：1)环境适应性要求中
工作温度范围宽，多为-40～+60℃，即使按照高性能电源要求的100ppm温漂系数来计算，电源在高低温环境下工作时，输出电压和电流精度将降至5‰的水平，与常温相比有几倍或是十几倍的差距。2)大部分关键元器件参数跟随环境温度变化，将劣化输出指标乃至引起振荡，影响可靠性。高精度功率变换器在常温与高低温环境下的巨大输出差异将严重影响精密设备在复杂环境中的应用；因此，如何解决上述问题，是交直流电源、电子负载和大功率变换器和测试领域急需解决的问题。
发明内容
[0004] 基于
现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种用于高精度大功率变换器的智能型温度补偿装置，能解决现有因环境温度变化，降低交直流电源、电子负载和大功率变换器等输出电压和电流的精度，影响可靠性的问题。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明实施方式提供一种用于高精度大功率变换器的智能型温度补偿装置，包括：
[0007] 多重温度
采样单元、精度及
稳定性控制单元、曲线加载单元和数字式PWM调整单元；其中，
[0008] 所述多重温度采样单元，设有用于连接高精度大功率变换器的多组温度采样装置，能分别获取所述高精度大功率变换器不同
电路部位的温度
信号，并将获取的所述高精度大功率变换器不同电路部位的温度信号分别归一化处理后形成粗制温度信号输出；
[0009] 所述精度及稳定性控制单元，分别与所述多重温度采样单元和曲线加载单元电气连接，能将所述多重温度采样单元输出的不同电路部位对应的各粗制温度信号进行信号分配处理和区分处理，分别得到电流、内环境、电压、功率
开关器件、
磁性元件和二阶滤波电路对应的温度信号，并根据所述电流、电压分别对应的温度信号配合内环境对应的温度信号形成电流温漂特征曲线和电压温漂特征曲线；根据所述功率开关器件、磁性元件和二阶滤波电路对应的温度信号形成分布参数温漂特征曲线；
[0010] 所述曲线加载单元，分别与所述精度及稳定性控制单元和数字式PWM调整单元电气连接，能将所述精度及稳定性控制单元输出的电流温漂特征曲线和电压温漂特征曲线进行校准后，与所述精度及稳定性控制单元输出的分布参数温漂特征曲线均加载至所述数字式 PWM调整单元；
[0011] 所述数字式PWM调整单元，分别与所述曲线加载单元和高精度大功率变换器电气连接，能根据所述曲线加载单元输出的电流温漂特征曲线、电压温漂特征曲线和分布参数温漂特征曲线形成PWM调整信号，通过所述PWM调整信号对所述高精度大功率变换器进行控制。
[0012] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明
实施例提供的用于高精度大功率变换器的智能型温度补偿装置，其有益效果为：
[0013] 通过设置顺次连接的多重温度采样单元、精度及稳定性控制单元、曲线加载单元和数字式PWM调整单元，能够对高精度大功率变换器的多个重要部位或部件实施有效的温度测量，通过对多个测量点的综合
数据处理，并结合自动加载和校准的温漂、分布参数曲线，能够有效调整和控制补偿参考输入电压和功率开关的PWM信号，最终实现高精度大功率变换器在极限环境温度下工作时能达到小于20ppm的温度系数指标，大幅度提高输出电压和电流精度；该补偿装置根据实测温度与分布参数的对应关系，自动调整控制环路参数，从而在高低温环境下大幅提高输出稳定性；该补偿装置可由
硬件电路和
软件控制
算法自动实现，无需手动设置和调整，能实现智能化温度补偿。
附图说明
[0014] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0015] 图1为本发明实施例提供的智能型温度补偿装置的构成示意图；
[0016] 图2为本发明实施例提供的多重温度采样单元中温度
传感器分别与输出电流精密采样
电阻、功率开关器件就近压接工艺示意图；
[0017] 图3为本发明实施例提供的多重温度采样单元中的柔性电路贴敷结构示意图；
[0018] 图4为本发明实施例提供的多重温度采样单元中一例采样电路示意图；
[0019] 图5为本发明实施例提供的精度及稳定性控制单元中
输入信号分配电路示意图；
[0020] 图6为本发明实施例提供的精度及稳定性控制单元中输入信号分配
波形的示波器界面图；
[0021] 图7为本发明实施例提供的输出电流精密采样电阻σR/R温漂曲线示意图；
[0022] 图中各标记对应的部件为：1-多重温度采样单元；11-精密电流反馈模
块；12-内环境温度反馈模块；13-输出电压反馈模块；14-功率开关温度模块；15-磁性元件温度模块； 16-二阶滤波温度模块；2-精度及稳定性控制单元；21-输出电流精度控
制模块；22-内环境
温度控制模块；23-输出电压精度
控制模块；24-稳定性控制模块；3-曲线加载单元；31- 温漂曲线校准模块；32-温漂曲线加载模块；33-分布参数曲线加载模块；4-数字式PWM调整单元；5-高精度大功率变换器；A-温度传感器；B-温度传感器的底部埋点；C-
散热器；。
具体实施方式
[0023] 下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0024] 如图1所示，本发明实施例提供一种用于高精度大功率变换器的智能型温度补偿装置，能对高精度大功率变换器整体进行测量和控制实现温度补偿，包括：
[0025] 多重温度采样单元、精度及稳定性控制单元、曲线加载单元和数字式PWM调整单元；其中，
[0026] 所述多重温度采样单元，设有用于连接高精度大功率变换器的多组温度采样装置，能分别获取所述高精度大功率变换器不同电路部位的温度信号，并将获取的所述高精度大功率变换器不同电路部位的温度信号分别归一化处理后形成粗制温度信号输出；
[0027] 所述精度及稳定性控制单元，分别与所述多重温度采样单元和曲线加载单元电气连接，能将所述多重温度采样单元输出的不同电路部位对应的各粗制温度信号进行信号分配处理和区分处理，分别得到电流、内环境、电压、功率开关器件、磁性元件和二阶滤波电路对应的温度信号，并根据所述电流、电压分别对应的温度信号配合内环境对应的温度信号形成电流温漂特征曲线和电压温漂特征曲线；根据所述功率开关器件、磁性元件和二阶滤波电路对应的温度信号形成分布参数温漂特征曲线；
[0028] 所述曲线加载单元，分别与所述精度及稳定性控制单元和数字式PWM调整单元电气连接，能将所述精度及稳定性控制单元输出的电流温漂特征曲线和电压温漂特征曲线进行校准后，与所述精度及稳定性控制单元输出的分布参数温漂特征曲线均加载至所述数字式 PWM调整单元；
[0029] 所述数字式PWM调整单元，分别与所述曲线加载单元和高精度大功率变换器电气连接，能根据所述曲线加载单元输出的电流温漂特征曲线、电压温漂特征曲线和分布参数温漂特征曲线形成PWM调整信号，通过所述PWM调整信号对所述高精度大功率变换器进行控制。
[0030] 上述温度补偿装置中，多重温度采样单元包括：
[0031] 精密电流反馈模块、内环境温度反馈模块、输出电压反馈模块、功率开关温度模块、磁性元件温度模块和二阶滤波温度模块；其中，
[0032] 所述精密电流反馈模块、内环境温度反馈模块、输出电压反馈模块、功率开关温度模块、磁性元件温度模块和二阶滤波温度模块各设有一组温度采样装置；
[0033] 所述精密电流反馈模块、内环境温度反馈模块、输出电压反馈模块、功率开关温度模块、磁性元件温度模块和二阶滤波温度模块的各组温度采样装置分别连接于所述高精度大功率变换器的输出电流精密采样电阻、环路控制电路、输出电压反馈电路、功率开关器件、磁性元件、二阶滤波电路处，能分别采集所述输出电流精密采样电阻、环路控制电路、输出电压反馈电路、功率开关器件、磁性元件、二阶滤波电路各电路部位的温度信号。
[0034] 上述温度补偿装置中，精密电流反馈模块、内环境温度反馈模块、输出电压反馈模块、功率开关温度模块、磁性元件温度模块和二阶滤波温度模块均采用温度采样电路。
[0035] 上述温度补偿装置中，精密电流反馈模块的温度采样装置采用一个温度传感器，该温度传感器通过
散热器就近压接或散热器埋点方式连接于所述输出电流精密采样电阻连接的
铝基散热器上；
[0036] 所述功率开关温度模块的温度采样装置采用一个温度传感器，该温度传感器通过散热器就近压接或散热器埋点方式连接于所述功率开关器件连接的铝基散热器上；
[0037] 所述内环境温度反馈模块的温度采样装置采用两个温度传感器，其中，一个温度传感器设置在所述环路控制电路的印制
电路板表面，另一个温度传感器设置在所述环路控制电路的印制电路板周围空间内；两支温度传感器分别测量所测部位的印制板表面温度和电路周围空间环境温度，最终通过每种电路的权重来换算影响因子；实际应用时，可根据高精度大功率变换器结构的不同，分别设置多个温度传感器(如电路板表面多处，机箱内多处)，同时测量多处环境的温度(通过平均、比较或加权得到单一的内环境温度)，来得出更准确的内环境温度。
[0038] 所述输出电压反馈模块的温度采样装置采用两个温度传感器，其中，一个温度传感器设置在所述输出电压反馈电路的印制电路板表面，另一个温度传感器设置在所述输出电压反馈电路的印制电路板周围空间内；两支温度传感器分别测量所测部位的印制板表面温度和电路周围空间环境温度，最终通过每种电路的权重来换算影响因子；
[0039] 所述功率开关温度模块的温度采样装置采用底部为镂空结构的一个温度传感器，该温度传感器设置在柔性电路贴敷结构上，所述柔性电路贴敷结构缠绕设置在被测量温度的功率开关器件表面；
[0040] 所述磁性元件温度模块的温度采样装置采用底部为镂空结构的一个温度传感器，该温度传感器设置在柔性电路贴敷结构上，所述柔性电路贴敷结构缠绕设置在被测量温度的磁性元件表面；
[0041] 所述二阶滤波温度模块的温度采样装置采用底部为镂空结构的一个温度传感器，该温度传感器设置在柔性电路贴敷结构上，所述柔性电路贴敷结构缠绕设置在被测量温度的二阶滤波电路的滤波
电解电容器表面。
[0042] 通过这种柔性电路贴敷结构配合底部镂空的温度传感器，能更准确的测量圆柱形器件 (如电解电容等器件)的表面温度，为后续温度补偿控制提供准确参数。
[0043] 上述温度补偿装置中，精度及稳定性控制单元包括：
[0044] 输入信号分配电路、温度区分处理模块、输出电流精度控制模块、内环境温度控制模块、输出电压精度控制模块和稳定性控制模块；其中，
[0045] 所述输入信号分配电路，与所述多重温度采样单元电气连接，并经所述温度区分处理模块分别与所述输出电流精度控制模块、内环境温度控制模块、输出电压精度控制模块和稳定性控制模块电气连接，能将所述多重温度采样单元输出的各粗制温度信号经信号分配处理后，送至所述温度区分处理模块通过比较大小和/或权重区分处理后，对应分配给所述输出电流精度控制模块、内环境温度控制模块、输出电压精度控制模块和稳定性控制模块；
[0046] 所述内环境温度控制模块，分别与所述输出电流精度控制模块和所述输出电压精度控制模块电气连接，能接收区分处理后的内环境对应的温度信号，并分别向所述输出电流精度控制模块和所述输出电压精度控制模块输出；
[0047] 所述输出电流精度控制模块，能根据区分处理后的输出电流精密采样电阻和内环境分别对应的温度信号，得到电流对应的温度信号；
[0048] 所述输出电压精度控制模块，能根据区分处理后的输出电压反馈电路和内环境分别对应的温度信号，得到电压对应的温度信号；
[0049] 所述稳定性控制模块，能根据区别处理后的功率开关器件、磁性元件、二阶滤波电路分别对应的温度信号，得到分布参数对应的温度信号。该稳定性控制模块有两个作用，其一在校准环节时该模块的
输出信号为后续曲线加载单元中温漂曲线校准模块提供离散输入量；其二在高精度大功率变换器工作时提供与稳定性控制功能相关的实时温度数据，这是高精度大功率变换器能够稳定工作的一个重要的参量。
[0050] 上述温度补偿装置中，输入信号分配电路包括：电气连接的高速模拟开关多路串行选择电路、高精度差分
运算放大器和差分
模数转换器。
[0051] 上述温度补偿装置中，曲线加载单元包括：
[0052] 温漂曲线校准模块、温漂曲线加载模块和分布参数曲线加载模块；其中，[0053] 所述温漂曲线校准模块，与所述精度及稳定性控制单元和所述温漂曲线加载模块电气连接，能与远程连接的程控电压表、程控电流表、可编程电子负载、环境试验箱通信自动校准从所述精度及稳定性控制单元接收的电流温漂特征曲线和电压温漂特征曲线，并将校准后的所述电流温漂特征曲线和电压温漂特征曲线发送给所述温漂曲线加载模块，所述电流温漂特征曲线和电压温漂特征曲线对应的特征量分别为输出电流精密采样电阻σR/R和输出电压σU/Uset；
[0054] 所述温漂曲线加载模块，分别与所述温漂曲线校准模块和所述数字式PWM调整单元电气连接，能将从所述温漂曲线校准模块接收的电流温漂特征曲线和电压温漂特征曲线加载至所述数字式PWM调整单元；
[0055] 所述分布参数曲线加载模块，分别与所述精度及稳定性控制单元和所述数字式PWM调整单元电气连接，能将从所述所述精度及稳定性控制单元接收的分布参数温漂特征曲线加载至所述数字式PWM调整单元；所述分布参数温漂特征曲线对应的特征量为分布参数等效
串联内电阻ESR。
[0056] 上述温度补偿装置中，数字式PWM调整单元，能通过所述高精度大功率变换器的实际温度值(该实际温度值是由多重温度采样单元测量得到的温度值)对应的电流温漂特征曲线、电压温漂特征曲线和分布参数温漂特征曲线校准电流温漂特征曲线、电压温漂特征曲线和分布参数温漂特征曲线对应的三个特征量，得出校准后的三个特征量分别为输出电流精密采样电阻值、输出电压补偿值σU、分布参数等效串联内电阻ESR，通过校准后的三个特征量根据所述高精度大功率变换器即定参数和拓扑特征参数确定得到输出电流设定值、输出电压设定值和数字环路补偿参数kp、ki、kd，并根据得到的所述输出电流设定值、输出电压设定值和数字环路补偿参数kp、ki、kd产生PWM调整信号，通过所述PWM调整信号控制所述高精度大功率变换器。使得高精度大功率变换器输出电压和电流受温度影响变化更小，具备低温漂系数。
[0057] 本发明的温度补偿装置能实现对电流、电压和分布参数的校准，进而实现对高精度大功率变换器稳态和瞬态两种工作状态下的温度补偿控制，使得其具备更低的温漂系数，保证了更高的输出精度。
[0058] 下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
[0059] 参见图1，上述温度补偿装置中，多重温度采样单元分别对高精度大功率变换器中的输出电流精密采样电阻、环路控制电路、输出电压反馈电路、功率开关器件、磁性元件、二阶滤波电路各关键部位进行温度采样，获取温度信号；
[0060] 由于输出电流精密采样电阻和功率开关器件多数安装在铝基散热器上，所以对这两种被测器件来说，温度传感器可选用TO-220或TO-247封装，采用“散热器就近压接工艺”设置温度传感器，如图2所示；亦可选用引线封装的温度传感器，采用“散热器埋点工艺”设置温度传感器。
[0061] 由于环路控制电路和输出电压反馈电路是
焊接在印制电路板上的具体电路，并且电路功率损耗的变化量较小，所以每块电路配置两支温度传感器，分别测量印制板表面温度和电路周围空间温度。温度传感器封装分别选用SO-8和TO-92，或者类似封装。最终通过每种电路的权重来换算影响因子，所述权重为该电路误差与输出电压误差的比值；测算温度以“印制板测试点-具体电路距离平方”递减，与环境温度相较，取最大值。
[0062] 由于磁性元件和二阶滤波电路各关键部位，特别是变换器输出滤波电解电容器因为其具有圆柱状结构使之不易测量表面温度，本发明实施例中采用“柔性电路贴敷工艺”的测量工艺，如图3所示，具体是设置一种带
锁定触点F的厚膜柔性电路板D作为柔性电路贴敷结构，将表贴封装的温度传感器E利用厚膜柔性电路板配置在电路板中央，电路板中温度传感器底部
位置镂空涂绝缘导热
硅脂，厚膜柔性电路板垂直于轴向贴敷在电解电容器表面，通过锁定触点
点焊牢固；厚膜柔性电路板通过金
手指端口插接在主电路板上。这种“柔性电路贴敷工艺”解决了电解电容器表面温度不易测量的问题，具备测温精度高、速度快的优点，为后续通过表面温度换算确定ESR、ESL等分布参数建立了
基础。
[0063] 具体的，该多重温度采样单元的电路构成如图4所示(但不仅限于图4所列电路)，因为该单元选取的温度传感器类型各不相同，电路需要归一化取样电压，因为每一种被测关键部位或元件的温度传感器不止一支，电路可使用最大值、平均值、加权平均等归一化处理方式得到最终测得的温度信号，为精度及稳定性控制单元进一步数据处理做好准备。
[0064] 上述的温度补偿装置中，精度及稳定性控制单元包括：输入信号分配电路、输出电流精度控制模块、内环境温度控制模块、输出电压精度控制模块和稳定性控制模块；该精度及稳定性控制单元主要作用是将多重温度采样单元输入的归一化粗制信号按照不同的作用和权重进一步深耕处理和再分配，利用差分方式传输至各模块的
微处理器(可以是各模块单独设置的微处理器，也可以共用的微处理器)。其中，输入信号分配电路分别与输出电流精度控制模块、内环境温度控制模块、输出电压精度控制模块和稳定性控制模块电气连接；输出电流精度控制模块主要处理输出电流精密采样电阻和内环境两种温度信号；输出电压精度控制模块主要处理环路控制电路、输出电压反馈电路和内环境三种温度信号；稳定性控制模块主要处理功率开关器件、磁性元件、二阶滤波电路等关键部位的温度信号。
[0065] 具体的，上述精度及稳定性控制单元的输入信号分配电路如图5所示(但不仅限于图5 所列电路)；该电路通过高速模拟开关串行选择多路信号，经过高精度差分
运算放大器进行共模抑制和信号源处理，最后输入差分模数转换器至微处理器。该设计使用一套电路结构就完成了8组
信号传输，具有信号隔离、共模抑制比高、结构简单等优点，其传输效果如图6所示。由图6可知，每个信号的传输周期仅为20μs；在实际应用中使用本电路，应对不同的高精度大功率变换器，如果温度补偿装置的信号源特别多的情况下，每个信号的传输周期最短可降至1μs，可满足绝大部分电源的采样传输需求。
[0066] 上述的温度补偿装置中，曲线加载单元包括：温漂曲线校准模块、温漂曲线加载模块和分布参数曲线加载模块；该曲线加载单元主要作用是将三条随温度变化的特征曲线(即电流温漂特征曲线、内环境温漂特征曲线和电压温漂特征曲线)加载入温度补偿装置；上述三条曲线对应的主要特征量分别为“输出电流精密采样电阻σR/R”、“输出电压σU/Uset”和“分布参数等效串联内电阻ESR”。所述温漂曲线校准模块内置微处理器校准电路提供丰富的USB、LAN、GPIB、RS485等通讯
接口，通过通讯接口与程控电压表、程控电流表、可编程电子负载、环境试验箱远程连接；程控电压表、程控电流压读取实际输出电压电流值，环境试验箱和可编程电子负载为校准提供不同的内环境温度值；进入校准模式后，可以与远程连接的程控电压表、程控电流表、可编程电子负载、环境试验箱主动通讯并且自动执行校准和曲线绘制；图7为“输出电流精密采样电阻σR/R”曲线的示意图，该图形将在加载时转换为可识别的列表数据并存储；至此，温度补偿需要的所有外部条件都已经具备，数据汇总至数字式PWM调整单元。
[0067] 上述的温度补偿装置中，数字式PWM调整单元是最终的计算和执行单元；该数字式PWM 调整单元通过实际温度值与对应温漂曲线来校准主要特征量，特征量包括“输出电流精密采样电阻值”、“输出电压补偿值σU”和“分布参数等效串联内电阻ESR参数”；这三个主要特征量根据高精度大功率变换器即定参数和拓扑特征参数将确定“输出电流设定值”、“输出电压设定值”和“数字环路补偿参数kp、ki、kd”；单元电路根据以上三个数值产生PWM调整信号去驱动高精度大功率变换器，最终使高精度大功率变换器的输出电压、电流具备低温漂系数和高稳定性。
[0068] 本发明的智能型温度补偿装置至少具有以下有益效果：
[0069] 1)能够使高精度大功率变换器在极限环境温度下工作时的温度系数指标降低到小于 20ppm的水平，从而大幅度提高输出电压和电流精度；
[0070] 2)能根据实测温度与分布参数的对应关系，自动调整控制环路参数，从而在高低温环境下大幅提高输出稳定性；
[0071] 3)采用的“柔性电路贴敷结构”解决了变换器输出滤波电解电容器因为其具有圆柱状结构使之不易测量表面温度，不能为温度补偿控制提供准确参数的问题；
[0072] 4)具备温漂曲线自动校准功能，实现与远程连接的程控电压表、程控电流表、可编程电子负载、环境试验箱主动通讯并且自动执行校准和曲线绘制；
[0073] 5)所有补偿和控制过程均能实现自动化和智能化，可实现无人值守。
[0074] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但是本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求书的保护范围为准。
