CN104052079A - 电能回馈型电子负载 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能量回馈型的电子负载，其输入端采用大电流单通道的接入方式，主电路主要包括DC/DC转换电路、DC/AC逆变电路以及交流滤波输出电路。其中DC/DC转换电路采用移相全桥电路实现对直流输入的控制，并将直流输入电压升高，为适应大电流的输入，其开关器件由多只MOSFET并联组成；DC/DC转换电路和DC/AC逆变电路之间通过直流母线连接；DC/AC逆变电路采用单相全桥逆变电路对交流输出电流进行控制，以稳定直流母线电压，并将交流电流以单位功率因数回馈电网，DC/AC逆变电路采用IGBT模块作为功率器件；交流滤波电路可采用LC低通滤波电路，以消除DC/AC逆变电路输出电流中的高次谐波，提高并网电能质量。

Description

电能回馈型电子负载

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤指涉及一种单通道宽范围输入、大功率单相并网的电能回馈型电子负载，其可广泛应用于各种电源的老化测试、蓄电池及其他直流屏的放电维护，起到能量回收、循环利用的效果。

背景技术

各种直流电源、大容量蓄电池在研发生产过程中以及出厂前，均要进行老化测试以检验产品的电气性能和质量。目前，大部分老化测试还在使用电阻等耗能型器件作为负载，该类负载将电能全部转化为热能消耗，造成大量能源浪费。同时，传统的耗能型负载还存在参数无法连续调节、随温度变化大以及发热量大、体积庞大等缺点。

随着能源危机加深、环境日益恶化，人们对节能环保的要求已越来越高。相对传统的耗能型负载，电能回馈型电子负载的优越性是显而易见的，这种负载之所以到目前为止还没有得到广泛应用，主要原因在于：

(1)通用性不好，由于待测电源的种类繁多，电源电压输出从几伏到上千伏，输出电流从几安到上百安，开发一种比较通用的，能适应多种应用场合的电能回馈型电子负载是一个难点；

(2)整机效率不高，整机效率是电能回馈型电子负载的一个重要性能指标，在许多低压大电流输入的应用场合中，需要合理地选择电路拓扑、控制方式以及安装方法，在保证系统可靠性的前提下尽量提高整机效率；

(3)成本居高不下，由于电能回馈型电子负载是并网型设备，包括DC/DC转换电路和DC/AC逆变电路两大部分，其控制相对复杂、保护措施要求完备，为有效降低成本，对整机的电路设计、总体布局以及安装方法都提出了较高的要求。

关于直流输入的电能回馈型电子负载，现有的主要技术有：

1)公开号为CN 101051071A，发明名称为“多输入通道模块化高频隔离单相电能回馈型电子负载”的发明。在该发明公布的电能回馈型电子负载中，输入部分包括若干直流电压转换模块，其单个模块吸入的直流输入电流相对较小，不适合直接对中、大功率电源进行老化测试；

2)公开号为CN 101533074A，发明名称为“一种多通道宽电压输入电能回馈型电子负载”的发明。在该发明公布的电能回馈型电子负载中，输入DC/DC电路中包括一个或一个以上的单元输入电路，该单元输入电路可以是升压电路，也可以是降压电路。从该发明的权利要求2可以看到，其单元输入电路是升压型时，采用的是基本的Boost升压拓扑；其单元输入电路是降压型时，采取的是基本的Buck降压拓扑。可见，其单个通道并不适合应用在低压大电流的输入场合，同样无法直接对中、大功率电源进行老化测试，其宽电压输入的特点也是通过多个不同的输入通道实现的。

现有的电能回馈型电子负载普遍存在成本居高不下、整机效率不高，以及单个通道的输入电流小、输入电压范围窄等问题。迄今为止，尚未发现一种单通道输入电流大、输入电压范围宽、系统效率高且成本低廉的单相并网型电能回馈型电子负载。

发明内容

本发明的目的是解决现有电能回馈型电子负载单通道输入电流小、输入电压范围窄、整机效率不高以及成本昂贵的问题。

为了解决以上问题，本发明提供了一种电能回馈型电子负载，其具体地为单通道宽范围输入的大功率单相电能回馈型电子负载，该电子负载可控制待测直流电源的电流或电压，能适应不同应用场合，具体通过以下技术方案实现。

一种电能回馈型电子负载，包括DC/DC转换电路、DC/AC逆变电路和交流滤波电路，其中：DC/DC转换电路的正极输入端经直流接触器ZJ接直流输入正极端子，负极输入端通过导线接直流输入负极端子；DC/DC转换电路的输出端和DC/AC逆变电路的输入端通过高压直流母线连接，电容C跨接在高压直流母线正、负极之间；DC/AC逆变电路的输出端与交流滤波电路的输入端连接，交流滤波电路的输出端通过继电器K1、K2与交流电网连接。

所述电能回馈型电子负载的DC/DC转换电路采用全桥变换器拓扑，所述全桥变换器拓扑由若干个跨接在直流输入正、负极间的直流输入电容C1、四个桥臂Q1～Q4、高频变压器T以及全桥整流电路D1～D4构成，其中四个桥臂Q1～Q4采用多个MOSFET并联组成；上桥臂每个MOSFET的源极和对应的下桥臂每个MOFET的漏极之间均跨接高频吸收电容；全桥变换器的正极输入端以及两个输出端分别由三个相互绝缘的铝制散热器构成，构成所述全桥变换器上桥臂的两组MOSFET均例如通过螺丝直接安装在同一个铝制散热器上，下桥臂的两组MOSFET均例如通过螺丝分别直接安装在另外两个铝制散热器上，所述各散热器与该散热器上的各MOSFET的漏极直接接触，形成电气通路。

所述高频变压器T的次级绕组的一个输出端带有中间抽头，次级绕组和全桥整流电路输入端之间还有一个用于次级绕组切换的绕组切换继电器K4，所述绕组切换继电器K4的常开、常闭触点分别与次级绕组的一个输出端及中间抽头连接，所述绕组切换继电器K4的公共端与所述全桥整流电路的一个输入端连接，所述全桥整流电路的另一个输入端与所述次级绕组的另一个输出端连接。

所述电能回馈型电子负载的DC/AC逆变电路采用单相全桥逆变电路，所述逆变电路的开关器件采用IGBT。

所述电能回馈型电子负载的交流滤波电路采用LC或LLC或LCL滤波电路，当采用LC滤波电路时，交流滤波电感L的一端与所述DC/AC逆变电路的一个输出端连接，另一端与交流滤波电容C6的一端连接，交流滤波电容C6的另一端与所述DC/AC逆变电路的另一个输出端连接。

所述电能回馈型电子负载，还包括以DSP为核心的控制电路，所述控制电路包括由DSP产生的两组独立的PWM信号产生电路，其中一组PWM信号经DC/DC驱动电路隔离放大后接至所述DC/DC转换电路中各MOSFET的栅极，另外一组PWM信号经DC/AC驱动电路隔离放大后接至所述DC/AC逆变电路中IGBT的门极。

本发明对比已有技术至少具有以下创新点：

DC/DC转换电路采用大电流的单通道输入方式，主电路采用移相全桥变换电路；

DC/DC转换电路中的高频变压器次级绕组可切换设计；

作为DC/DC转换电路开关器件的MOSFET的漏极和散热器直接接触安装，提高整机效率；

将DC/DC移相全桥电路和DC/AC单相全桥逆变电路相结合，各自采用模块化安装方式。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

大电流单通道的输入方式可直接对大功率的电源进行老化测试，同时又可以作为通用模块，应用于多种场合；

DC/DC转换电路采用移相全桥电路，输入电流大、整机效率高、电磁干扰低；

通过高频变压器次级绕组的切换，增加直流输入电压范围；

DC/DC转换电路中的功率开关器件和散热器直接接触安装，降低了器件温度，提高了整机效率；

DC/DC转换电路中利用散热器作为大电流导体，简化了生产工序、降低了成本；

DC/DC转换电路和DC/AC逆变电路模块化的安装方式简化了生产工序，DC/AC逆变电路采用单相并网，有效降低了成本。

附图说明

图1A至图1D是本发明的使用方式示意图；

图2是本发明的实施例的基本结构示意图；

图3是本发明的实施例的DC/DC转换电路的原理图；

图4是本发明的实施例的DC/DC转换电路的控制原理图；

图5是本发明的实施例的DC/AC逆变电路及交流滤波电路原理图；

图6是本发明的实施例的DC/AC逆变电路的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1

参见图1，针对不同应用场合可采用不同的使用方式，其中箭头指示能量流动方向。

如图1A所示，24V/48V直流电源20额定输出电流100A，从交流电网10取电，其输出可直接引入24V/48V电能回馈型电子负载30的输入，电能回馈型电子负载30将输入的直流电流转换为与电网电压同频同相的交流电流后并入单相电网，从而使输入的大部分电能回馈入电网，达到电能循环利用的效果。

如图1B所示，对自带均流功能、可直接并联的小功率24V/48V直流电源20₁、20₂至20_n，可将输出并联后形成的直流母线引入24V/48V电能回馈型电子负载30的输入，从而同时对多个直流电源模块20₁、20₂至20_n进行老化测试。

如图1C所示，对不带均流功能、无法直接并联的直流电源40₁、40₂至40_n，可通过额外的控流模块50₁、50₂至50_n对各个直流电源40₁、40₂至40_n的输出电流进行控制，控流模块的输出并联后形成的直流母线引入24V/48V电能回馈型电子负载30的输入，从而同时对多个无法直接并联的小功率电源进行老化测试。

如图1D所示，对输出电流大于100A的大功率24V/48V直流电源60，可通过多台24V/48V电能回馈型电子负载30₁、30₂至30_n并联的方法，对一个大功率电源进行老化测试。

图2

参见图2，本装置主要包括DC/DC转换电路201、DC/AC逆变电路202以及交流滤波电路203；以DSP为核心的控制模块(控制电路)204主要包括模拟信号采样电路205、PWM驱动信号输出电路以及其他开关量的输入/输出电路213、214、保护电路215。

本发明的单通道宽范围输入的、大功率单相电能回馈型电子负载的运行步骤如下：

接通开关K4，系统电源模块207输出若干路系统控制用电源，其中包括两路+5V电源，分别供给以DSP为核心的控制电路204和通信电路208；+15V和-15V电源各一路，供给模拟信号检测电路205；一路+24V电源，供给各继电器、接触器线圈以及各散热风机209；两路+15V电源，分别供给DC/DC转换电路201的PWM信号驱动电路212和DC/AC逆变电路202的PWM信号驱动电路206。

按下启/停按钮210，DSP根据模拟量的采样值判断各运行参数正常后，闭合预充电电路的继电器K3，直流输入电源211通过预充电电阻R对DC/DC转换电路201中的直流输入电容C1充电，当直流接触器ZJ触点两端的电压基本相等时，直流接触器ZJ的线圈得电，其主触点闭合，预充电继电器K3断开，DSP输出PWM控制信号，经驱动电路后，控制DC/DC转换电路201中功率开关器件的开通和断开。

所述DC/DC转换电路201可针对不同待测直流电源的要求，通过PWM信号占空比的调节来控制直流输入电流、电压大小，同时将直流母线电压升高。

当直流母线电压，即电容C两端的电压达到并网阀值后，继电器K1、K2闭合，DC/AC逆变电路202的输出端与交流电网10连接，DSP输出PWM控制信号，经驱动电路后，控制DC/AC逆变电路202中的开关器件。

所述DC/AC逆变电路202通过PWM信号占空比的调节，控制直流母线电压稳定在某个设定值，同时控制输出电流与电网电压同频同相，实现单位功率因数的电能回馈入电网。

DSP产生的两组PWM控制信号分别通过DC/DC驱动电路212和DC/AC驱动电路206引至各功率器件的控制端子，两组PWM控制信号相互独立，由同一DSP产生。

所述交流滤波电路203为低通滤波电路，用以滤除DC/AC逆变电路202输出电流中的高次开关谐波，提高并网电能质量。

所述DSP例如采用美国TI公司型号为TMS320F28335的DSP；

所述继电器K1、K2主触点的最大切换电流优选为40A，线圈额定电压优选为24V；

所述继电器K3主触点的最大切换电流优选为5A，线圈额定电压优选为24V；

所述预充电电阻R的阻值优选为47欧姆；

所述直流接触器ZJ的额定电流优选为200A；

所述熔断器FU1和FU2的额定电流优选为32A。

另外，装置还包括一些按键、旋钮和显示器件(216-218)等。

图3

参见图3，采用所示DC/DC转换电路201控制直流输入电流或电压，并将直流输入电压升高至400V以上，以备后级的所述DC/AC逆变电路202使用。

直流输入电容C1用来稳定直流输入电压，当C1充电完毕后，DC/DC驱动信号控制开关器件Q1～Q4，Q1～Q4分别由四个MOSFET并联组成，以满足直流输入大电流的要求。

所述MOSFET例如均为TO220封装方式，三个相互绝缘的铝制散热器与安装在其上的MOSFET的漏极通过螺丝直接连接，并分别作为所述DC/DC转换电路201的正极输入连线和两个输出连线使用。

高频吸收电容C2和C3跨接在上管Q1、Q3的漏极和对应下管Q2、Q4的源极之间，用来吸收快速开关时产生的尖峰电压，以降低电磁干扰同时提高整机效率。

由Q1～Q4构成的全桥转换电路将直流低压大电流转换为高频交流电流，经高频变压器T和由高频整流二极管D1～D4组成的全桥整流电路后，在直流母线上得到直流高压小电流。其中高频变压器T的次级绕组可以通过继电器K4切换，从而使得DC/DC转换电路201可以适应更大范围的直流输入电压。

所述直流输入电容C1优选由12只额定电压为63V的电解电容并联组成；

所述MOSFET的导通电阻优选为7.2mΩ；

所述高频吸收电容C2和C2优选分别由四个CBB电容并联组成，该CBB电容的耐压优选为250V；

所述继电器K4常闭触点的最大切换电流优选为20A，线圈额定电压优选为24V；

所述高频整流二极管D1～D4的反向耐压优选为1200V；

图4

采用图4所示的控制方法，实现待测直流电源输出电流的闭环控制。

直流电源输出电流指令值i_{dc_m} ^*与反馈电流值i_{dc_m}比较后生成误差值，该误差值经PI调节器402后得到一个移相值，该移相值经PWM发生器403和驱动电路404后生成PWM驱动信号，从而控制DC/DC转换电路201中的开关器件Q1～Q4的开断。当PI调节器402控制参数整定合适后，即可控制直流输入电流为设定值。

图5

如图5所示，以Q5～Q8为桥臂的单相全桥逆变电路和由L、C6构成的LC低通滤波器，将直流电转化为交流电，同时稳定直流母线电压，并控制输出交流电流与交流电网电压同频同相，实现单位功率因数电能回馈至电网。

直流支撑电容C跨接在直流母线两端以保证后级逆变电路的供电质量；

Q5～Q8为IGBT模块内部的四个开关管，经PWM信号驱动后，将直流电流转换为高频交流电流；

吸收电容C5跨接在直流母线之间并靠近IGBT模块放置，用来吸收功率器件在高速开关时产生的尖峰电压；

L、C6构成的低通滤波器用来滤除高频交流电流中的高次谐波；

所述直流支撑电容C由十个电解电容组成，所述电解电容的容值优选为1000uF；

所述IGBT模块的最大耐压优选为600V，最大工作电流优选为50A；

所述交流滤波电感L的电感量优选为1.5mH；

所述交流滤波电容C6的容值优选为10uF；

图6

如图6所示，采用直流母线电压和交流输出电流双环控制的方法，实现对直流母线电压和交流输出电流的控制，其中通过电网电压的前馈补偿，用以抑制电网电压对系统的扰动，利于系统的稳定。

直流母线电压设定值u_dc ^*和采样值u_dc的差值经过电压环PI调节器601的PI调节，得到交流输出电流幅值的给定值i_p ^*；

电网电压u通过锁相得到电网电压的频率和相位，从而得到与电网电压同频同相的单位正弦波指令sin^ωt，该值与i_p ^*相乘，得到交流输出电流指令值i^*，交流输出电流指令值i^*和采样值i的差值经电流环PI调节器602的PI调节后得到的比较值与电网电压前馈补偿得到的比较值相加后，经PWM生成器603产生PWM控制信号，该信号经驱动电路604后驱动功率器件Q5～Q8，从而实现对交流输出电流幅值、频率及相位的控制，以确保系统输入、输出有功功率平衡以及交流输出电流以单位功率因数回馈电网。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，该说明只用于帮助理解本发明的技术方案和实施办法，不能理解为对本发明范围的限制。本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种电能回馈型电子负载，其特征在于，电子负载包括DC/DC转换电路、DC/AC逆变电路和交流滤波电路，其中：DC/DC转换电路的正极输入端经直流接触器(ZJ)接直流输入正极端子，DC/DC转换电路的负极输入端通过导线接直流输入负极端子；DC/DC转换电路的输出端和DC/AC逆变电路的输入端通过直流母线连接，直流支撑电容(C)跨接在直流母线正、负极之间；DC/AC逆变电路的输出端与交流滤波电路的输入端连接，交流滤波电路的输出端通过继电器(K1、K2)与交流电网连接。

2.如权利要求1所述的电能回馈型电子负载，其特征在于，还包括预充电电路，预充电电路由用于接通充电电路的预充电继电器(K3)和电阻(R)串联而成，预充电电路与直流接触器(ZJ)并联。

3.如权利要求1所述的电能回馈型电子负载，其特征在于，还包括输入滤波电感，输入滤波电感与直流接触器(ZJ)串联。

4.如权利要求1所述的电能回馈型电子负载，其特征在于，还包括两个熔断器(FU1、FU2)，分别与继电器(K1、K2)串联。

5.如权利要求1所述的电能回馈型电子负载，其特征在于，继电器(K1、K2)由交流接触器代替。

6.如权利要求1所述的电能回馈型电子负载，其特征在于，DC/DC转换电路采用全桥变换器拓扑或推挽拓扑，当采用全桥变换器拓扑时，主要由若干个跨接在直流输入正、负极间的直流输入电容(C1)、四个桥臂(Q1～Q4)、高频变压器(T)以及全桥整流电路(D1～D4)构成，其中：

四个桥臂均采用MOSFET作为开关器件，全桥变换器的两个上管(Q1、Q3)和下管(Q2、Q4)分别由若干个MOSFET并联组成；

构成上管(Q1、Q3)的每个MOSFET的源极和对应的构成下管(Q2、Q4)的每个MOFET的漏极之间均跨接高频吸收电容(C2、C3)；

全桥变换器的一个正极输入端和两个输出端分别由三个相互绝缘的铝制散热器构成，其中上管Q1、Q3直接安装在作为正极输入端的一个铝制散热器上，下管(Q2、Q4)直接安装在作为两个输出端的另外两个铝制散热器上，三个相互绝缘的铝制散热器均与安装在其上的MOSFET的漏极直接接触，形成电气通路；

高频变压器(T)的次级绕组的一个输出端带有中间抽头，次级绕组和全桥整流电路输入端之间还有一个用于次级绕组切换的绕组切换继电器(K4)，绕组切换继电器(K4)的常开、常闭触点分别与次级绕组的一个输出端和中间抽头连接，绕组切换继电器(K4)的公共端与全桥整流电路的一个输入端连接，全桥整流电路的另一个输入端与次级绕组的另一个输出端连接。

7.如权利要求1所述的电能回馈型电子负载，其特征在于，DC/AC逆变电路采用单相全桥逆变电路，开关器件采用IGBT。

8.如权利要求1所述的电能回馈型电子负载，其特征在于，交流滤波电路采用LC、LLC或LCL滤波电路，当采用LC滤波电路时，交流滤波电感(L)的一端与DC/AC逆变电路的一个输出端连接，另一端与交流滤波电容(C6)的一端连接，交流滤波电容(C6)的另一端与DC/AC逆变电路的另一个输出端连接。

9.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的电能回馈型电子负载，其特征在于，还包括用于控制系统启动和停止的启/停按钮、若干用于设置控制参数及选择显示内容的控制按键、用于设置DC/DC转换电路的输入电流的设置旋钮、用于显示电能回馈型电子负载的运行状态的状态显示模块以及若干散热风机。

10.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的电能回馈型电子负载，其特征在于，还包括以DSP为核心的控制电路，控制电路至少包括：

由DSP产生的两组独立的PWM信号产生电路，其中一组PWM信号经DC/DC驱动电路隔离放大后接至DC/DC转换电路中各MOSFET的栅极，另外一组PWM信号经DC/AC驱动电路隔离放大后接至DC/AC逆变电路中的IGBT的门极；

一组用于各模拟信号采集、调理的模拟信号采样电路，模拟信号包括DC/DC转换电路的直流输入电压、DC/DC转换电路的直流输入电流，直流母线的直流电压、DC/AC逆变电路的交流输出电流、交流电网的交流电压以及IGBT的温度，各模拟信号经采样电路后接入DSP模数转换模块的模拟信号输入引脚；

一组控制信号输出电路，控制信号由DSP的GPIO模块的输出引脚产生，各控制信号经缓冲、隔离后分别用于控制预充电继电器(K3)、直流输入接触器(ZJ)、绕组切换继电器(K4)、继电器(K1和K2)、状态显示模块、散热风机；

一组状态信号输入电路，状态信号至少包括启/停按钮状态、控制按键状态；

一组保护电路，保护电路至少包括DC/DC转换电路输入过压过流保护电路、DC/DC驱动保护电路、直流母线过压保护电路、DC/AC逆变电路输出过流保护电路、DC/AC驱动保护电路；

一组通信电路，通信电路输入与DSP的串行通信接口模块的相应引脚连接，经隔离、电平变换后，输出通过导线与串行通信端子连接。

11.如权利要求10所述的电能回馈型电子负载，其特征在于，还包括系统电源模块，系统电源模块的输入端通过开关与交流电网连接，系统电源模块输出若干路系统控制用电源，各路电源通过导线连接至以DSP为核心的控制电路。

12.一种电能回馈型电子负载装置，其特征在于，所述电子负载装置主要由电路板安装组件、DC/DC安装组件、DC/AC安装组件、风机组件以及高频变压器和交流滤波电感构成，其中：

电路板安装组件由系统电源电路板、转接电路板、控制电路板组成，安装在机箱的前部；

DC/DC安装组件主要由三个相互绝缘的铝制散热器、DC/DC主电路板以及DC/DC驱动电路板组成；

DC/AC安装组件主要由一个铝制散热器、DC/AC主电路板以及DC/AC驱动电路板组成；

DC/DC安装组件和DC/AC安装组件并列安装在机箱内部的后部两侧；

高频变压器和交流滤波电感安装在DC/DC安装组件和DC/AC安装组件之间，高频变压器的初级绕组通过导线和作为全桥变换电路输出端的两个散热器连接，高频变压器的次级绕组通过导线和绕组切换继电器(K4)连接，绕组切换继电器(K4)焊接在DC/AC主电路板上，交流滤波电感通过导线和DC/AC主电路板连接；

风扇组件安装在电路板安装组件和DC/DC安装组件、DC/AC安装组件之间，包括若干散热风机，为DC/DC安装组件、DC/AC安装组件以及高频变压器、交流滤波电感提供气流散热，风机电源线通过导线和转接电路板连接。