基于大功率直流恒流電源的研究

王林靜 譚永彥

（1、山東鋼鐵集團萊蕪分公司檢修中心特鋼作業區，山東 萊蕪 271105；2、山東鋼鐵集團萊蕪分公司特鋼事業部，山東 萊蕪 271105）

1 恒流源概述及應用情況

恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源。所謂“恒流”并不是電流值絕對不變。只是這種變化非常小，在工作范圍內可視為基本穩定。現代電子技術的廣泛應用，促進了對恒流源的需求。例如，大電流高精度恒流源在白光燈照明、蓄電池的快速充電器、電氣觸點微電阻測量、實驗室等領域有著多方面的應用。

1.1 檢測技術

在電流表校準過程中，將被測表和標準表并聯在恒流源兩端，通過調整恒流源輸出至標準表刻度值，來檢測被校表量程是否準確。電路參數直流電阻的測量，特別是小電阻測量，阻值不大而對精度要求又高。若用電橋測量，精度雖高但操作較繁，而采用標準精密恒流源測量則可以大大簡化測量過程，可以在工廠中進行大量檢測。

1.2 電真空及大功率照明器件

示波管、顯像管等電真空器件的燈絲電阻很小，若采用穩壓源，則在通電瞬間會形成大電流尖峰，縮短燈管壽命。若采用恒流源供電，在燈絲由冷變熱的過程中保持電流恒定，可以延長燈管壽命。

1.3 實驗裝置和醫療器械

在許多醫療診斷儀器中，如CT斷層掃描儀和超導磁源成像儀中的磁場均要求很穩定，否則會造成嚴重的測量誤差。如果采用穩壓電源，由于電磁鐵線圈工作時發熱等原因會使其阻值改變，因而供電電流變化，導致磁場不穩定。如果采用恒流源供電就能克服上述缺點。因此，凡是要求磁場十分穩定的裝置，就必須采用恒流源供電。所以，在核物理實驗裝置中，如粒子加速器、質譜儀、β 譜儀以及云霧室，都必須采用恒流源供電。

1.4 工廠除塵裝置

恒流源技術被廣泛應用在在電除塵行業。如水泥廠的立窯收塵、回轉窯尾電收塵、鋼鐵行業的結燒收塵、有色冶煉行業的電收塵等場合幾乎全部使用恒流源。恒流源供電特性呈“正反饋”，即輸出電功率大小與除塵器所需電功率大小成正比。當除塵器某時刻粉塵濃度變大，要使除塵效率保持不變，需要電源同步增大輸出功率。正由于恒流源輸出電流恒定，而輸出電壓隨負載大小變化而變化，當粉塵濃度變大時，則恒流電源輸出電壓也同步增大，所反映在除塵器上即電源輸出電功率是同步增大。

2 傳統恒流源的實現方法

2.1 傳統恒流源實現方法主要有以下三種：

（1）采用差分放大器構成的恒流源，包括鏡像電流源、微電流源等。在集成電路中可為放大電路提供偏置電流。

（2）集成運算放大器構成的恒流源，分為負載浮置（負載兩端均不接地）和負載接地恒流源。

（3）由三端穩壓器件構成的恒流源，具有體積小、價格低、可靠性較高，便于大量生產。

上述傳統電流源主要應用在集成電路芯片或小功率電路中，所提供電流較小。

2.2 大功率恒流電源組成及實現方法

傳統恒流源輸出功率小，效率較低，而在電鍍、電除塵、開關器件檢測等場合需要大電流高效率的電源。一般的工頻開關電源，頻率較低（50Hz左右），普遍采用工頻變壓器，當功率上升時，變壓器體積和重量都急劇上升；且由于采用硬開關，功率管開關損耗大，電源輸出效率低（75%左右）。而本設計采用高頻變換器，輸出頻率在80kHz左右，采用的高頻變壓器體積小、重量輕，可大量節省有色金屬；且采用軟開關技術，減少功率管開關損耗，大大提高了電源輸出效率（90%-95%）。

2.2.1 大功率直流恒流電源的組成部分

（1）輸入模塊：主要有輸入高頻濾波電路、整流濾波電路；

（2）變換器模塊：主要有全橋變換器、移相控制電路、PWM產生電路、開關管驅動電路、隔離高頻變壓器等；

（3）輸出模塊：主要有同步整流電路、輸出濾波電路；

（4）檢測控制模塊：主要有單片機、鍵盤及數碼管電路、電流電壓采樣電路；

（5）輔助模塊：主要有過流過溫保護電路、輔助電源電路。

2.2.2 大功率直流恒流電源實現方法

系統輸入為市電220V±15%，在輸入模塊的抗電磁干擾濾波器（EMI）濾去電網雜波，經過全橋整流和濾波電容后輸出較平直的工頻直流電（約300V）。在變換器模塊，50Hz工頻直流電通過全橋變換器后變換到80kHz的高頻直流電。再經隔離變壓器與輸出模塊的同步整流電路連接，經輸出濾波電路濾去高頻雜波，輸出1-5V，10-100A恒流直流電。采樣反饋電路通過分流器對輸出電流采樣，將反饋信號傳送到UC3875移相控制芯片，實現電流負反饋，以達到恒流輸出目的。同時輸出電壓和電流經AD轉換輸入到單片機，并通過7段數碼管顯示。系統可通過一個滑動變阻器使輸出電流在10-100A連續可調，并可通過鍵盤設定或手動調節滑動變阻器連續調節輸出電壓。系統內還設置有過流過溫保護電路，保障系統安全運行。

2.2.3 輸入整流濾波電路設計

輸入整流濾波電路包括過壓保護模塊、抗電磁干擾濾波電路、全橋整流電路、濾波電容。

（1）過壓保護電路：電路中所產生的過壓主要是雷擊和電網電壓尖峰，而二者中雷擊產生的高電壓危害最大。雷擊時產生的高壓加在壓敏電阻RV1、RV2、RV3上時，其阻值降低，形成大電流通路，將高壓產生的能量導地。當電流過大，則保險絲F1、F2燒毀，保護后級電路。

（2）抗電磁干擾濾波電路：由電感L1和電容C2、C3、C4組成的濾波網絡不僅可以抑制電網產生的噪聲及紋波干擾電源內部信號，也可防止電源本身產生的高頻噪聲回送到電網中。而電源開啟瞬間產生的大電流則通過熱敏電阻RT1耗散，隨溫度升高RT1阻值降低，耗散能量逐漸減小。

（3）全橋整流電路：采用四個二極管組成的全橋整流電路，具有輸出電流紋波較小，效率高的特點。可在輸入波形的正負半周同時進行變換，

（4）濾波電容：整流橋輸出的有紋波電流經C5、C6濾波后可以得到平直的直流電流，且C5值越大，輸出紋波越小。