直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)與實(shí)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(jìn)步，各類(lèi)電力電子產(chǎn)品應(yīng)用越來(lái)越廣泛，各種電源設(shè)備被大量使用。在日常生活中，各類(lèi)家用電器都配有各自的電源設(shè)備，沒(méi)有穩(wěn)定可靠的電源，電器無(wú)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(fù)載是分散控制系統(tǒng)DCS，報(bào)警、保護(hù)、調(diào)節(jié)設(shè)備，計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及其他自動(dòng)和保護(hù)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(lái)進(jìn)行處理，存儲(chǔ)和傳送。DCS 系統(tǒng)時(shí)時(shí)都要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的工藝變量（溫度、壓力、流量、物位、濃度等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控，因此DCS 一旦失電，整個(gè)生產(chǎn)裝置將陷入一片混亂，操作人員無(wú)法對(duì)裝置進(jìn)行控制，操作和監(jiān)視。輕則造成裝置停車(chē)，重則就會(huì)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(hào)質(zhì)量和穩(wěn)定工作，通信電源出現(xiàn)故障，會(huì)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(dá)的今天，通信中斷造成的損失是很大的，無(wú)法估測(cè)。因此為保障電源各種性能符合應(yīng)用要求，電源測(cè)試工作的重要性日益顯著，測(cè)試對(duì)象不但包括航空電源，各種 PC 電源、適配器、LED 驅(qū)動(dòng)器、UPS、電動(dòng)車(chē)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(lái)越廣泛地應(yīng)用到汽車(chē)、航空、通信、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。鋰電池、燃料電池由于單體電池電壓低，測(cè)試過(guò)程和測(cè)試參數(shù)不像普通電源設(shè)備一樣單一，所以要求測(cè)試設(shè)備具有很寬的測(cè)量電壓范圍，響應(yīng)速度快，測(cè)試功能全面等。

測(cè)試電源在實(shí)際工作條件下的工作狀態(tài)，通常采用模擬真實(shí)負(fù)載測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。負(fù)載是指用來(lái)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?jī)?chǔ)存或消耗掉。負(fù)載的種類(lèi)繁多，根據(jù)其在電路中表現(xiàn)的特性可分為阻性負(fù)載、容性負(fù)載、感性負(fù)載和混合性負(fù)載。通過(guò)模擬各種負(fù)載狀態(tài)，測(cè)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(jìn)和完善。

1 設(shè)計(jì)方案選擇與分析

1.1 主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

能耗型直流電子負(fù)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(qiáng)，能耗型直流電子負(fù)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(shí)現(xiàn)方法分析

確定整體方案基本框架為由面板上人機(jī)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(hào)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(cè)電源。各支路反饋信號(hào)回送到控制器進(jìn)行運(yùn)算處理。總圖方案框圖如圖1 所示。

恒流模式可以通過(guò)總電流信號(hào)的反饋，由控制器直接控制給定電壓，來(lái)達(dá)到預(yù)設(shè)的電流值。恒電壓模式則通過(guò)采集電壓信號(hào)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(dá)到預(yù)設(shè)值。恒電阻模式通過(guò)采集電流和電壓的信號(hào)，在控制器中進(jìn)行運(yùn)算，判斷電阻值的大小，通過(guò)調(diào)整電流大小，使電阻值恒定。恒功率模式通過(guò)采集電流和電壓信號(hào)，乘積即為功率，控制電流大小，保證乘積達(dá)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(dá)到1200W，所以設(shè)計(jì)用多個(gè)管子并聯(lián)工作，這樣既減小的每個(gè)管子的熱功率，保證每個(gè)管子的正常運(yùn)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(guò)總電流集中反饋，然后集中控制所有MOSFET。這種方式電路簡(jiǎn)單，但是由于集中控制，控制信號(hào)相同，但是每個(gè)MOSFET 的特性不同，所以導(dǎo)致流過(guò)每個(gè)管子的電流不盡相同，發(fā)熱量也不同。可能造成局部幾個(gè)MOSFET 發(fā)熱過(guò)大，導(dǎo)致器件損壞。另一種方式是單管獨(dú)立反饋，集中控制。每個(gè)MOSFET 配合一個(gè)采樣電阻反饋電流信號(hào)，控制信號(hào)共用，微調(diào)反饋信號(hào)的放大倍數(shù)，使相同控制信號(hào)下，每個(gè)管子的電流基本一致。雖然電路復(fù)雜一點(diǎn)，但是性能會(huì)穩(wěn)定很多。

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

在電路保護(hù)上，由于實(shí)時(shí)采集電流和電壓信號(hào)，所以設(shè)計(jì)使用軟件保護(hù)來(lái)完成對(duì)過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)功率保護(hù)。過(guò)溫度保護(hù)使用溫度開(kāi)關(guān)，每個(gè)功率管都配有一個(gè)溫度開(kāi)關(guān)，分別保護(hù)本支路MOSFET，超過(guò)安全溫度后將支路切除，并反饋信號(hào)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(jì)

2.1 主功率電路設(shè)計(jì)

主功率板的設(shè)計(jì)，考慮到安裝和空間分布的問(wèn)題，設(shè)計(jì)將20個(gè)MOSFET 分為兩塊，每個(gè)功率板上有10 個(gè)管子，對(duì)稱(chēng)分布在功率板兩側(cè)，構(gòu)成5 對(duì)結(jié)構(gòu)相同的重復(fù)單元。控制信號(hào)為公共信號(hào)，每個(gè)管子的電流信號(hào)單獨(dú)反饋，形成電流內(nèi)環(huán)。5 個(gè)相同單元的電路圖 。圖中雙路繼電器控制MOSFET 給定的信號(hào)切斷和導(dǎo)通，繼電器處于常開(kāi)狀態(tài)，需要控制器給定工作信號(hào)，才能使繼電器導(dǎo)通，給定信號(hào)才能送達(dá)到MOSFET 柵極，驅(qū)動(dòng)管子導(dǎo)通，同時(shí)繼電器的工作狀態(tài)反饋回控制器。在工作信號(hào)的同路中，P1、P2為兩個(gè)MOSFET 配套的溫度開(kāi)關(guān)。溫度開(kāi)關(guān)的動(dòng)作溫度為65℃，處于常閉狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)管子任意一個(gè)周邊溫度超過(guò)65℃時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。驅(qū)動(dòng)繼電器工作的信號(hào)就切斷了，繼電器停止工作，MOSFET 的給定信號(hào)也被切斷，兩個(gè)MOSFET 被切除。這樣就完成了硬件過(guò)溫保護(hù)。圖中還有兩個(gè)比較器，用作硬件過(guò)電流保護(hù)。當(dāng)采樣電阻上的電壓超過(guò)設(shè)置的閾值電壓時(shí)，比較器有輸出，通過(guò)線與關(guān)系，也就是任意一路出現(xiàn)過(guò)流，都會(huì)產(chǎn)生過(guò)流信號(hào)，送回控制器處理。

2.2 散熱器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中散熱器采用的是由風(fēng)扇對(duì)散熱翅片進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷。風(fēng)扇采用的是DELTA 臺(tái)達(dá)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(duì)多種散熱器進(jìn)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(jì)可以通過(guò)熱分析軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。熱分析軟件有很多，本設(shè)計(jì)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(gè)翅片散熱器翅片相對(duì)放置，形成導(dǎo)風(fēng)通道。每個(gè)散熱器上均勻分布10 個(gè)代表MOSFET 的發(fā)熱源。按照直流電子負(fù)載的最大功率1200W 計(jì)算，每個(gè)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，從ANSYS Icepak 中可以看到散熱片上各個(gè)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(yuǎn)離風(fēng)扇的區(qū)域，溫度相對(duì)就越高。這是由于風(fēng)從前向后流動(dòng)的時(shí)候帶走熱量，使得空氣溫度升高，到達(dá)后半部分時(shí)，溫差已經(jīng)有所減小，所以熱對(duì)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(jì)中應(yīng)該關(guān)注最遠(yuǎn)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(dá)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(jì)中，溫度開(kāi)關(guān)安裝位置分布在MOSFET 的旁邊，所以溫度相對(duì)中心溫度低不少，基本都低于65℃，同時(shí)考慮到溫度開(kāi)關(guān)的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，選擇動(dòng)作溫度為65℃的溫度開(kāi)關(guān)能夠滿(mǎn)足溫度保護(hù)的需要。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)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(gè)單元結(jié)構(gòu)相同，所以對(duì)單元電路的設(shè)計(jì)，我們進(jìn)行了建模仿真，通過(guò)仿真設(shè)計(jì)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(lái)的用于微機(jī)系列的通用電路分析程序。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美國(guó)加州大學(xué)伯克莉分校于1972 年開(kāi)發(fā)的電路仿真程序。它能進(jìn)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(xiàng)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(dòng)態(tài)恒流特性、響應(yīng)時(shí)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(cè)試電源的信號(hào)，峰值的波動(dòng)達(dá)到2V，下面為電流信號(hào)，可以看出，電流穩(wěn)定在4A，不受測(cè)試電源電壓波動(dòng)影響，達(dá)到恒流效果，且與計(jì)算值相同，說(shuō)明電路的穩(wěn)態(tài)負(fù)載特性良好。

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

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 恒流模式性能測(cè)試

恒流模式下，對(duì)采樣電阻電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(wú)超調(diào)，上升時(shí)間約為10ms，調(diào)節(jié)時(shí)間不足100ms，穩(wěn)態(tài)特性良好。

對(duì)恒流模式控制精度測(cè)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(cè)試

表2 0～100 檔恒流模式精度測(cè)試

通過(guò)對(duì)0～10A 和0～100A 檔的實(shí)際測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)在0～10A檔和0～100A 檔都達(dá)到了較高的測(cè)量精度，且性能穩(wěn)定，數(shù)值無(wú)明顯跳動(dòng)。

3.2.2 恒壓模式性能測(cè)試

恒壓模式下，對(duì)電子負(fù)載輸入端口進(jìn)行測(cè)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(wú)超調(diào)，上升時(shí)間約為20ms，調(diào)節(jié)時(shí)間約為100ms，穩(wěn)態(tài)特性良好。

對(duì)電壓模式控制精度測(cè)試，如下表3 所示。

3.2.3 恒阻模式性能測(cè)試

對(duì)恒阻模式下，控制精度的測(cè)試，如下表4 所示。

3.2.4 恒功率模式性能測(cè)試

對(duì)恒阻模式下，控制精度的測(cè)試，如下表5 所示。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載各項(xiàng)功能的測(cè)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(guò)對(duì)能耗型直流電子負(fù)載原理的闡述和分析，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，得到合理的設(shè)計(jì)方案。并且根據(jù)設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)，并對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行了調(diào)試與測(cè)試。在性能上已經(jīng)達(dá)到甚至超出預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。下面總結(jié)了設(shè)計(jì)過(guò)程中所做的重要工作。

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

（2）由系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)了主功率部分電路，并通過(guò)方針驗(yàn)證其原理，同時(shí)設(shè)計(jì)得到合適的反饋網(wǎng)絡(luò)，使得功率部分的響應(yīng)速度達(dá)到設(shè)計(jì)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(jī)，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(wèn)題。信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)都采用差分式信號(hào)采集，提高了信號(hào)的采集質(zhì)量。量程分檔的方法可以解決低電流時(shí)測(cè)量精度不高的問(wèn)題。然后結(jié)合熱分析軟件，合理設(shè)計(jì)了散熱器的外形和體積，有效地減小了電子負(fù)載的尺寸大小。

表3 恒壓模式精度測(cè)試

表4 恒阻模式精度測(cè)試

表5 恒功率模式精度測(cè)試

表6 能耗型直流電子負(fù)載性能表