CN105703711B - 开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器，包括：压控电压源，连接压控电流源；压控电流源，输出端口连接负载；电压采样单元，连接所述压控电流源的输出端；模数转换器，连接所述电压采样单元；数字控制器，连接所述模数转换器；第二数模转换器，连接所述数字控制器和压控电压源；以及第一数模转换器，连接所述数字控制器和压控电流源。既可以保证整机太阳阵模拟器具备较高的动态特性，输出较高的电压电流质量，I‑V曲线模拟精度高；同时解决了线性功率单元的热耗问题，提高了整机效率。可具备大功率处理能力，减小了大功率应用场合下的太阳阵模拟器的整机体积大小和重量。

Description

开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器
技术领域
本发明涉及太阳阵模拟器，尤其涉及开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器。
背景技术
太阳阵模拟器一般分为三个基本环节，功率级设计，控制系统以及基准发生技术。功率级设计架构主要分为两种构架，分别为线性功率级架构和开关功率级架构。在中小功率等级条件下，一般采用线性功率级架构来实现，线性功率级实现方案即为采用功率晶体管，控制其工作于线性可变电阻区，从而实现恒流输出的特性。并且采用多路线性电流源并联的方式以提高其处理功率的能力，其处理功率的能力取决于热控设计，从而决定了太阳阵模拟器的体积和重量。采用线性功率级架构方案的太阳阵模拟器电源输出质量高，动态性能优良，主要适用于航天，军事等对太阳阵模拟器测试设备性能要求较高的场合。
在大功率的应用场合一般采用开关功率级方案，开关型PV源模拟器为了实现I-V功率曲线输出功能，需要工作于降压模式，不同的开关功率级光伏源模拟器开关型拓扑可以是单相DC-DC Buck变换器，三相AC-DC电压源以及电流源整流器，半桥和全桥DC-DC变换器，以及LLC谐振DC-DC变换器，还有其他功率级拓扑如带电流门限的直流可编程功率电源，带可变电阻器的直流功率电源或是可控开关电阻以及有源功率负载。采用开关方案作为太阳阵模拟器功率级实现构架可以处理较高的功率，适用于一般光伏工业测试场合以及对太阳阵模拟器动态性能要求不高的场合。
总结以上两种实现太阳阵模拟器的两种实现构架方案，线性功率级方案的太阳阵模拟器具有优良的动态特性，模拟器输出的电压电流模拟精度较高，但是受到功率的限制，并且效率低，产生大量的热，体积庞大，所以很难应用于大功率场合。
开关功率级方案虽然效率高，可实现大功率处理的能力，但是相对于线性功率级方案的输出电压电流纹波较大，供电质量一般；并且动态性能较差，不适用于大功率以及高动态特性需求的场合。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器，提高模拟精度，提高效率，提高供电质量，降低线性功率单元的热耗，提高太阳阵模拟器的动态特性，减小太阳阵模拟器的整机体积大小和重量。
本发明的技术方案是开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器，包括：
压控电压源，连接压控电流源，实时根据所述压控电流源输出端口的电压变化而变化；
压控电流源，输出端口连接负载；
电压采样单元，连接所述压控电流源的输出端，采集所述输出端的输出电压，输出电压采样信号；
模数转换器，连接所述电压采样单元，将所述电压采样信号转换为电压数字信号并输出；
数字控制器，连接所述模数转换器，将所述电压数字信号处理后，分别输出压控电压源输出端的电压数字基准值和压控电流源输出端的电流数字基准值；
第二数模转换器，连接所述数字控制器和压控电压源，将所述电压数字基准值转换为电压模拟基准值，并将所述电压模拟基准值发送到所述压控电压源中；以及
第一数模转换器，连接所述数字控制器和压控电流源，将所述电流数字基准值转换为电流模拟基准值，并将所述电流模拟基准值发送到所述压控电流源中；
其中，所述压控电压源为开关型电压源，所述压控电流源为线性电流源，所述数字控制器包括：
第一运算器，分别连接所述模数转换器、存储器和第一数模转换器和，将接收到的电压数字信号对应存储器中的I-V数据表格，查到压控电流源输出端的电流数字基准值；
存储器，存储有I-V数据表格；以及
第二运算器，连接所述模数转换器和第二数模转换器，接收所述电压数字信号，计算后输出压控电压源输出端的电压数字基准值。
本发明提出母线连续跟踪方案的开关与线性功率级方案相结合的功率构架，以线性电流源作为太阳阵模拟器的输出端口，并采用高动态性能开关型电压源来实时跟踪线性电流源输出端口的电压变化而变化，将开关型电压源的输出作为线性电流源工作的母线电压，并且该母线电压实时连续跟踪模拟器对外输出端的电压变化而变化，保持在高于模拟器输出端电压的一个固定的电压偏置量，从而控制线性电流源的功率消耗，解决了线性功率单元的热耗问题。该方案既可以保证整机太阳阵模拟器具备较高的动态特性，输出较高的电压电流质量，I-V曲线模拟精度高；同时解决了线性功率单元的热耗问题，提高了整机效率。可具备大功率处理能力，减小了大功率应用场合下的太阳阵模拟器的整机体积大小和重量。
进一步地，所述压控电压源包括：
电源Uin，给所述压控电流源和所述负载供电；
开关S2，与所述电源Uin并联；
开关S1，连接电源Uin的正极和所述开关S2；
电容C1，与所述开关S2并联；
电感L1，连接开关S2和电容C1；
电容C2，与所述电容C1并联；
电感L2，连接电容C1和电容C2；
电阻R2，连接电感L2的输出端和电阻R1；
电阻R1，接地；以及
PID控制器，第一输入端连接第二数模转换器，第二输入端连接所述电阻R2的输出端；输出端分别连接所述开关S1和开关S2；
所述电感L2的输出端连接压控电流源；所述电源的负极接地。
进一步地，所述压控电流源包括：
数字放大器A1，正极连接第一数模转换器，负极连接电阻Rs，输出端连接功率晶体管M的栅极；
功率晶体管M，源极连接电阻Rs，漏极连接负载；以及
电阻Rs，接地。
母线电压实时连续跟踪模拟器对外输出端的电压变化而变化，保持在高于模拟器输出端电压的一个固定的电压偏置量，从而控制线性电流源的功率消耗，解决了功率晶体管M的热耗问题。
进一步地，电压采样单元包括：
数字放大器A2，正极连接电阻R5,负极连接电阻R4,输出端连接模数转换器；
电阻R3,连接数字放大器A2的正极和输出端；
电阻R4,连接功率晶体管M的漏极和数字放大器A2的负极；
电阻R5,连接电感L2的输出端和数字放大器A2的正极；以及
电阻R6,一端连接数字放大器A2的正极，另一端接地。
进一步地，电压数字基准值满足下述公式：
式中，表示压控电压源输出端的电压数字基准值；表示模拟器输出端的电压数字信号；表示压控电压源额外增加的偏置电压的数字值。
进一步地，压控电压源的输出端电压满足如下公式：
Ubus＝kv·Ubus_ref
式中，Ubus表示压控电压源的输出端电压；KV表示压控电压源从给定电压到输出电压的电压放大比例，KV为常数，与具体指标参数相关；Ubus_ref表示压控电压源输出端的电压模拟基准值。
进一步的，压控电压源的输出端电压还满足如下公式：
Ubus＝USAS_out+ΔU
式中，Ubus表示压控电压源的输出端电压；USAS_out表示模拟器输出端的电压；ΔU表示保证压控电流源中的功率晶体管M工作于饱和区的最低漏极电压,ΔU≥1V。
有益效果：本发明解决了线性功率单元的热耗问题。该方案既可以保证整机太阳阵模拟器具备较高的动态特性，输出较高的电压电流质量，I-V曲线模拟精度高；同时解决了线性功率单元的热耗问题，提高了整机效率。可具备大功率处理能力，减小了大功率应用场合下的太阳阵模拟器的整机体积大小和重量。
附图说明
图1是开关型电压源与线性电流源混合架构的太阳阵模拟器的电路框图；
图2是开关型电压源与线性电流源混合架构的太阳阵模拟器的电路图；
图3是太阳阵模拟器输出电压低频稳态变化的母线电压跟踪曲线图；
图4是太阳阵模拟器输出端电压高频动态变化母线电压跟踪曲线图。
图中标记：1-压控电压源；2-压控电流源；3-第一数模转换器；4-数字控制器；5-电压采集单元；6-模数转换器；7-第二数模转换器；8-第一运算器；9-存存器；10-第二运算器；11-负载；12-PID控制器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
结合图1和图2，开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器，包括：
压控电压源1，连接压控电流源2，实时根据所述压控电流源2输出端口的电压变化而变化；
压控电流源2，输出端口连接负载11；
电压采样单元，连接所述压控电流源2的输出端，采集所述输出端的输出电压，输出电压采样信号；
模数转换器6，连接所述电压采样单元，将所述电压采样信号转换为电压数字信号并输出；
数字控制器4，连接所述模数转换器6，将所述电压数字信号处理后，分别输出压控电压源1输出端的电压数字基准值和压控电流源2输出端的电流数字基准值；
第二数模转换器7，连接所述数字控制器4和压控电压源1，将所述电压数字基准值转换为电压模拟基准值，并将所述电压模拟基准值发送到所述压控电压源1中；以及
第一数模转换器3，连接所述数字控制器4和压控电流源2，将所述电流数字基准值转换为电流模拟基准值，并将所述电流模拟基准值发送到所述压控电流源2中；
其中，所述压控电压源1为开关型电压源，所述压控电流源2为线性电流源，所述数字控制器4包括：
第一运算器8，分别连接所述模数转换器6、存储器9和第一数模转换器3和，将接收到的电压数字信号对应存储器9中的I-V数据表格，查到压控电流源2输出端的电流数字基准值；
存储器9，存储有I-V数据表格；以及
第二运算器10，连接所述模数转换器6和第二数模转换器7，接收所述电压数字信号，计算后输出压控电压源1输出端的电压数字基准值。
本发明提出母线连续跟踪方案的开关与线性功率级方案相结合的功率构架，以线性电流源作为太阳阵模拟器的输出端口，并采用高动态性能开关型电压源来实时跟踪线性电流源输出端口的电压变化而变化，将开关型电压源的输出作为线性电流源工作的母线电压，并且该母线电压实时连续跟踪模拟器对外输出端的电压变化而变化，保持在高于模拟器输出端电压的一个固定的电压偏置量，从而控制线性电流源的功率消耗，解决了线性功率单元的热耗问题。该方案既可以保证整机太阳阵模拟器具备较高的动态特性，输出较高的电压电流质量，I-V曲线模拟精度高；同时解决了线性功率单元的热耗问题，提高了整机效率。可具备大功率处理能力，减小了大功率应用场合下的太阳阵模拟器的整机体积大小和重量。
结合图2，所述压控电压源1包括：
电源Uin，给所述压控电流源2和所述负载11供电；
开关S2，与所述电源Uin并联；
开关S1，连接电源Uin的正极和所述开关S2；
电容C1，与所述开关S2并联；
电感L1，连接开关S2和电容C1；
电容C2，与所述电容C1并联；
电感L2，连接电容C1和电容C2；
电阻R2，连接电感L2的输出端和电阻R1；
电阻R1，接地；以及
PID控制器12，第一输入端连接第二数模转换器7，第二输入端连接所述电阻R2的输出端；输出端分别连接所述开关S1和开关S2；
所述电感L2的输出端连接压控电流源2；所述电源的负极接地。
结合图2，所述压控电流源2包括：
数字放大器A1，正极连接第一数模转换器3，负极连接电阻Rs，输出端连接功率晶体管M的栅极；
功率晶体管M，源极连接电阻Rs，漏极连接负载11；以及
电阻Rs，接地。
母线电压实时连续跟踪模拟器对外输出端的电压变化而变化，保持在高于模拟器输出端电压的一个固定的电压偏置量，从而控制线性电流源的功率消耗，解决了功率晶体管M的热耗问题。
结合图2，电压采样单元包括：
数字放大器A2，正极连接电阻R5,负极连接电阻R4,输出端连接模数转换器6；
电阻R3,连接数字放大器A2的正极和输出端；
电阻R4,连接功率晶体管M的漏极和数字放大器A2的负极；
电阻R5,连接电感L2的输出端和数字放大器A2的正极；以及
电阻R6,一端连接数字放大器A2的正极，另一端接地。
优选地，电压数字基准值满足下述公式：
式中，表示压控电压源1输出端的电压数字基准值；表示模拟器输出端的电压数字信号；表示压控电压源1额外增加的偏置电压的数字值。
优选地，压控电压源1的输出端电压满足如下公式：
Ubus＝kv·Ubus_ref
式中，Ubus表示压控电压源1的输出端电压；KV表示压控电压源1从给定电压到输出电压的电压放大比例，KV为常数，与具体指标参数相关；Ubus_ref表示压控电压源1输出端的电压模拟基准值。
优选地，压控电压源1的输出端电压还满足如下公式：
Ubus＝USAS_out+ΔU
式中，Ubus表示压控电压源1的输出端电压；USAS_out表示模拟器输出端的电压；ΔU表示保证压控电流源2中的功率晶体管M工作于饱和区的最低漏极电压,ΔU＝1V。
优选地，ΔU＝3V。
优选地，ΔU＝5V。
优选地，ΔU＝7V。
结合图3，图3是太阳阵模拟器输出电压低频稳态变化的母线电压跟踪曲线图。图3中#1为稳态条件下的太阳阵模拟器对外输出的电压USAS_out随时间t变化逻辑曲线，#2为母线连续跟踪开关电压源的输出电压Ubus与时间t变化逻辑曲线，#2始终跟随着#1的变化而变化，并且始终高于#1电压一个偏置量ΔU。
例如图3中两个工作点A和B，#1在A_#1处的电压为USAS_out_A_#1，在B_#1处的电压为USAS_out_B_#1；且#2在A_#2处的电压为Ubus_A_#2，在B_#2处的电压为Ubus_B_#2。两条曲线在A和B两个工作点上的电压关系分别为Ubus_A_#2＝USAS_out_A_#1+ΔU，Ubus_B_#2＝USAS_out_A_#1+ΔU。
结合图4，图4是太阳阵模拟器输出端电压高频动态变化母线电压跟踪曲线图。图4中#3为太阳阵模拟器输出端动态高频切换瞬态电压USAS_out与时间t逻辑曲线，#4为母线连续跟踪的开关电压源输出端电压Ubus与时间t变化的逻辑曲线。其中#3是在被测负载11高频切换状态下呈现的电压波形，#4随着模拟器输出端电压变化而变化，且始终高于模拟器输出端电压一个偏置量ΔU，图中分别以两个工作点A和B进行说明。#3在A_#3处的电压为USAS_out_A_#3，在B_#3处的电压为USAS_out_B_#3；且#4在A_#4处的电压为Ubus_A_#4，在B_#4处的电压为Ubus_B_#4。两条曲线在A和B两个工作点上的电压关系分别为Ubus_A_#4＝USAS_out_A_#3+ΔU，Ubus_B_#4＝USAS_out_A_#3+ΔU。
结合图1和图2，对太阳阵模拟器的对外输出端电压USAS_out进行采样，得到电压采样信号USAS_out_sa送入模数转换单元，得到电压数字信号U* SAS_out_sa，该电压数字信号进入I-V查找表给出线性电流源输出端的电流数字基准值U* I_SAS_out_ref，同时数字运算逻辑得到母线连续跟踪开关型电压源的输出端电压数字基准值U* bus_ref。该两数字基准分别经过第一数模转换器3和第二数模转换器7的转换后，分别得到开关型电压源电压模拟基准值Ubus_ref；以及线性电流源输出恒定电流的电流模拟基准值UI_SAS_out_ref，控制太阳阵模拟器对外输出电流ISAS_out即为期望I-V功率曲线上的期望电流值。同时控制压控电压源1输出母线电压Ubus大于USAS_out一个设定的偏置电压ΔU，保证电流型太阳阵模拟器输出端电压为负载11所需电压值；在该条件下线性电流源的功率晶体管M上的功耗控制在Ploss＝ΔU*ISAS_out，提高了电流型线性功率级方案的太阳阵模拟器整机工作效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器，其特征在于，包括：
压控电压源，连接压控电流源，实时根据所述压控电流源输出端口的电压变化而变化；
压控电流源，输出端口连接负载；
电压采样单元，连接所述压控电流源的输出端，采集所述输出端的输出电压，输出电压采样信号；
模数转换器，连接所述电压采样单元，将所述电压采样信号转换为电压数字信号并输出；
数字控制器，连接所述模数转换器，将所述电压数字信号处理后，分别输出压控电压源输出端的电压数字基准值和压控电流源输出端的电流数字基准值；
第二数模转换器，连接所述数字控制器和压控电压源，将所述电压数字基准值转换为电压模拟基准值，并将所述电压模拟基准值发送到所述压控电压源中；以及
第一数模转换器，连接所述数字控制器和压控电流源，将所述电流数字基准值转换为电流模拟基准值，并将所述电流模拟基准值发送到所述压控电流源中；
其中，所述压控电压源为开关型电压源，所述压控电流源为线性电流源，所述数字控制器包括：
第一运算器，分别连接所述模数转换器、存储器和第一数模转换器和，将接收到的电压数字信号对应存储器中的I-V数据表格，查到压控电流源输出端的电流数字基准值；
存储器，存储有I-V数据表格；以及
第二运算器，连接所述模数转换器和第二数模转换器，接收所述电压数字信号，计算后输出压控电压源输出端的电压数字基准值。
2.根据权利要求1所述的开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器，其特征在于，所述压控电压源包括：
电源Uin，给所述压控电流源和所述负载供电；
开关S2，与所述电源Uin并联；
开关S1，连接电源Uin的正极和所述开关S2；
电容C1，与所述开关S2并联；
电感L1，连接开关S2和电容C1；
电容C2，与所述电容C1并联；
电感L2，连接电容C1和电容C2；
电阻R2，连接电感L2的输出端和电阻R1；
电阻R1，接地；以及
PID控制器，第一输入端连接第二数模转换器，第二输入端连接所述电阻R2的输出端；输出端分别连接所述开关S1和开关S2；
所述电感L2的输出端连接压控电流源；所述电源的负极接地。
3.根据权利要求2所述的开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器，其特征在于，所述压控电流源包括：
数字放大器A1，正极连接第一数模转换器，负极连接电阻Rs，输出端连接功率晶体管M的栅极；
功率晶体管M，源极连接电阻Rs，漏极连接负载；以及
电阻Rs，接地。
4.根据权利要求3所述的开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器，其特征在于，电压采样单元包括：
数字放大器A2，正极连接电阻R5,负极连接电阻R4,输出端连接模数转换器；
电阻R3,连接数字放大器A2的正极和输出端；
电阻R4,连接功率晶体管M的漏极和数字放大器A2的负极；
电阻R5,连接电感L2的输出端和数字放大器A2的正极；以及
电阻R6,一端连接数字放大器A2的正极，另一端接地。
5.根据权利要求4所述的开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器，其特征在于，电压数字基准值满足下述公式：
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式中，表示压控电压源输出端的电压数字基准值；表示模拟器输出端的电压采样信号；表示压控电压源额外增加偏置电压的数字值。
6.根据权利要求5所述的开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器，其特征在于，压控电压源的输出端电压满足如下公式：
Ubus＝kv·Ubus_ref
式中，Ubus表示压控电压源的输出端电压；KV表示压控电压源从给定电压到输出电压的电压放大比例，KV为常数，与具体指标参数相关；Ubus_ref表示压控电压源输出端的电压模拟基准值。
7.根据权利要求6所述的开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器，其特征在于，压控电压源的输出端电压还满足如下公式：
Ubus＝USAS_out+ΔU
式中，Ubus表示压控电压源的输出端电压；USAS_out表示模拟器输出端的电压；ΔU表示保证压控电流源中的功率晶体管M工作于饱和区的最低漏极电压,ΔU≥1V。
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