能馈型直流电子负载的设计与研究

流源输入端，实现能量的循环利用，相比传统电子负载具有高效节能的优点。本文设计了一种PWM控制方式下的直流源能量回

馈装置，该电子负载由被测直流源电路、逆变电路、变压隔离电路和能量回馈电路组成。通过实物研究制作结果表明，系统设计合

理，可以很好解决直流源负载实验过程中能量损耗问题。关键词：能量回馈;直流源；电子负载;PWM控制中图分类号:TM921 文献标识码：A 文章编号:2096-4390( 2019) 11 -0003-03传统直流源出厂测试基本上都是使用电阻器、电阻箱等作 任意调节的交流电、采用环形变压器实现电气隔离；由于冋馈 为负载，在测试过程中不仅将电能完全消耗，同时还产生大量 侧为恒流源，回馈电压值容易被直流电源钳位，所以回馈电压

热量,恶化了周围的工作环境。随着当今社会高速发展,能源危 可以通过逆变电源输岀间接控制，在电气隔离的基础上实现任 机和环境污染日益严重，节能环保已成为当今社会发展的必要 意选择所需交流输出电压。最后，为了使被测直流电源输出电

要求。电子负载克服了以往实验中采用电阻器、电阻箱等作为 流可控，后级回馈侧先使用整流滤波电路将交流电转换成直流

负载的使用不便和不利于自动化测试等缺点。但是，传统电子 电,后使用Buck恒流源，以控制回馈侧电流方式控制直流电源 负载只是通过电路实现了模拟各种负载特性，其电能最后仍然 输出电流，以实现能量的最大化利用。系统电路设计如图2所通过功率电阻发热消耗，特别是在大功率装置实验和大规模的示。在整个系统设计中为了保证系统的安全性，在被测直流电产品测试时，造成电能的大量浪费叫源的输出侧与能量回馈电路的输出侧加上整流二极管.保证能为解决这一问题我们提出了一种电流型PWM控制技术的 量的正向流动，防止能量倒灌现象直流电子负载系统。该系统利用交、直流特性实现负载模拟,具

有能量利用率高、输出电流连续可调，可满足宽范围输入、输岀 等被测直流电源的测试要求，具有可靠性高、制作成本低等优 点。1拓扑结构和原理该系统由被测直流电源模块、逆变电源模块、变压隔离模

块、能量回馈模块四个主要模块构成。图2系统电路图系统框图如图1所示。供电电源为整个系统供电;被测直流

2被测直流电源控制策略电源是可实现宽范围输入、输出的DC-DC变换器，模拟直流电

被测直流电源控制器使用TL494电压驱动型脉宽调制器。

源可能出现的各种情况;逆变电源可实现将被测直流电源宽范 该控制器基本包含开关电源所有控制功能，因其工作可靠性

围输出的直流电转化为可任意调节的交流电;变压器可实现不 高、成本低而广泛应用于各种开关电源中，TU94主要由锯齿波 同电压下的变压及电气隔离;能量回馈装置可实现将交流电转 振荡器、死区时间比较器、脉宽调制比较器、误差放大器J)触发 换成可并入直流电源侧的直流电，并可调并入电流值，实现电 器、基准电压发生器和2个驱动三极管等组成叫通过误差放大 能的高效循环利用。器将反馈控制信号进行处理，与锯齿波振荡器产生的锯齿波进

行比较，进而输出相应占空比的PWM波，控制MOSFET开断,

实现输出稳定。控制器满载情况下输出PWM波如图3所示。图1系统设计示意图PWM波首先，由于电子负载前级主要功能是模拟测试直流源的输

出特性，相较于其他电路,TL494芯片构成的DC-DC电路可以 实现宽范围电压输人，输出电压连续可调等诸多特性，可模拟

被测直流电源可能出现的各种情况。为了使整个系统的安全

性、稳定性更高，在输出端设置过压、过流保护等诸多保护。其

次，考虑到大功率测试的需求以及输入侧与回馈侧需要电气隔

离，在被测直流电源后采用大功率逆变电源将直流电转化为可图3 TL494驱动波形基金项目：省级大学生创新创业计划(201810623055)。-4 - 科学技术创新2019.11降低用于控制器供电;使用Boost拓扑升压，选择合适的反馈电在开关管导通的T。时间内，二极管所加反向电压即二极管

不导通，此时输入电源通过电感给电容以及负载提供能量，同

时电感在这段时间内储能，电感电流也逐渐增加叫所以：式中是L电感量,Vl是电感两端的电压。VT-Vo ⑵由式(1)(2)可以计算出所需电感量。注意，电感电流额定值

为1.2Io/(l-D)0系数1.2符合一般设计准则，即电感电流波形的

峰值比其平均值高出大约20%□因此电感电流额定值至少是

1.21,叫由图4电路可知,开关管Q,最大承受电压U咖可近似为电

路输出电压U(),由于输入电压U|波动会引起输出电压Uo波

动，同时电感上产生的反峰电压也会作用到开关管Q上。因此，

在选择开关管时，其最大承受电压应满足VgM>l」xl.2Ug在实 际选择时开关管最大允许工作电压应留有一定余量，一般选择 原则为V^=(2-3)1.1x1.200,而开关管的最大允许工作电流一般

选择原则为Idm=(2~3)I,叫3逆变电源设计图7中LM2576为核心芯片;心为负载,R,为串联反馈电阻，

逆变电源控制器使用数字化纯正弦波发生器芯片EG8010 可使用高精密的康铜丝。反馈部分使用两级比较放大模拟反馈，

产生SPWM信号；IR2110驱动芯片构成可驱动H桥SPWM驱 响应速度快，输出纹波电流小;U.U2和芯片内部比较器为调理 动信号。由于SPWM逆变器的谐波较高,需要采用二阶LC低通 及反馈控制电路，其中U,构成电压跟随器，提高反馈回路的输

滤波器,LC滤波器设计既要考虑滤波器的截止频率，也要考虑 入电阻，减小反馈回路对主电路的影响;6与R|、R『组成同相放 滤波器的功率容量,滤波器可减小输出电压谐波含量且滤波阻 大电路，将釆样电阻转化的电压信号放大成可与LM2576芯片

频特性好、滤波消耗功率少等特性。主电路拓扑如图5所示。内部基准稳压值比较的反馈电压V”如果不进行放大处理，直 接使用Rs上的电压作为反馈信号,则需要较大阻值的反馈电阻 才能获得较高的电流分辨率。那么氐消耗的功率会比较大，系

统效率降低叫芯片内部比较器将£输出的反馈电压％与内部

基准稳压值1.23V比较。由图5可知比 1(1+善)=1.23 V (3)图5主电路拓扑可根据式(1)计算不同电流输出对应的反馈电阻值,该模块

整个逆变电源模块具备完善的保护机构，能够通过对采集 使用核心芯片自身的反馈引脚来进行控制，简化了软件工作，

的电流信号、温度信号、电压信号等实施处理，实现将直流电转 节约了成本，并且响应时间快。换成输出任意可调交流电。此外,采用环形变压器实现输入侧

在此基础上LM2576具有完善的保护电路，包括过流保护及

与回馈侧电气隔离。过热保护电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高

效稳压电路。4能量回馈设计恒流源型Buck拓扑结构如图6所示。当开关Q导通时，能

5实物设计以被测直流输出为20V”：为测试对象,其电路拓扑结构如图

电感L,选择100uH；电容G选择100uF；开关管Qi选择

量从输入直流电源(通过开关管)传输给电感，同时有一部分能

输到输出，没有能量来自输入直流电源卜“。量直接传输到输出端;开关关断时，电感储能(通过二极管)传 4所示,控制波形如图3所示。其中供电电源输出电压为40VM；

P75NF5o比较图8⑻、图8(b)可以看出在不同输入电压情况下，直流

输出电压稳定，可以很好的模拟各种情况下被测直流电源的特

征，以验证能量回馈装置的性能。逆变电源电路如图5所示，H桥N沟道MOSFET选择

图6恒流源型Buck拓扑图P75NF75;电感R选择3.3mH;电容G。选择2.2nF;2019.11科学技术创新 -5 -图10可知能量回馈时被测直流电源输岀电压电流稳定，回

馈装置对被测直流电源输出影响小，能量能够稳定的回馈到测

试直流输入侧。与此同时测量了不同负载电流下的效率，如图11所示。81%80%79%O '；■ »> 嗣 ]疗「= [”…阳-绑”、即¥圈 汁78%

H-K. ■ |)〒]Y.制\"\"'气< 77%

❶平坦M3 ❶養率丫 ....... ❶虫空比7 、 1 \"1眾76%(a)直流20V输出波形75%........................ 1 | 1 II II II IIJI | ■■ II I! II II74%73%72%1[—— r. 111- L1 ■ i l 」 -1 .输出电流图门 变流器输出电流-效率曲线OB 91.G345kHz :0 » iwiSut ®--4l».0ns『 0 f 29 6U fit从图11直观的看出系统整体电能利用率较高，能量能够高 一 1..................................1[❶袖28.BU❶占空比1 I效的回馈到测试变流器输入侧。(b)直流30V输出波形

6结论图8不同直流输入下满载输出波形能量回馈型直流电子负载能将测试电能通过变换后回馈到

电源输入端,实现能量的循环利用，相比传统电子负载具有高 效节能的特点。通过实物研究制作论证了本文电路结构和控制 方法的可行性。参考文献[1] 刘志刚，和敬涵.基于电流型PWM整流器的电子模拟负载系

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图9逆变电源输出波形[J].电测与仪表,2017(6):23-29.能量回馈模块整体电路图如图7所示，图7中匚为 [5] 张晓斌，陈兵彬，雷涛.恒功率交流电子负载的研究[J].电力电子

200mH;C12为1000uF/200V;采样电阻Rs为300m£l;同相放大 技术,2010(1):81-83.电路电阻R『=Rr续流二极管D,为FR107；负载R,.为被测直流 [6] 詹红艳.能馈型直流电子负载的控制算法设计[D].成都：电子

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