CN106936321A - 恒流源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种恒流源，包括AC‑DC整流模块、包含IPM的IPM单相逆变模块和控制电路模块，市电经AC‑DC整流模块转换为直流电后由IPM单相逆变模块逆变为单相交流电输出，所述控制电路模块包括输出电流采样电路、微处理器和输入模块，所述输出电流采样电路用于将所述IPM单相逆变模块输出的单相交流电反馈至所述微处理器，所述微处理器根据所述反馈电流和用户输入电流的差值，调节所述IPM单相逆变模块输出的单相交流电的电流值。本发明提供的恒流源，通过AC‑DC整流模块与由IPM组成的IPM单相逆变模块相配合取代传统的自耦变压器与升流变压器结构，不仅可以实现0～50A电流连续可调，同时还减小了恒流源的体积，降低了硬件电路复杂程度，并减少了成本。

Description

恒流源
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种恒流源。
背景技术
传统的大电流交流恒流源大多采用AC-AC的电能转换形式，通过自耦变压器将220V交流市电转换成幅值适当的交流电压，而自耦变压器的输出电压通过降压升流变压器转换为所需交流电流，在输出端采集输出电流值，反馈给控制系统，控制系统根据所返回电流值与输入电流值来调节自耦变压器中心抽头的变化，以调节其输出电压大小，从而达到调节输出电流的目的。由于自耦变压器以及降压升流变压器自身特性的限制，传统的大电流交流恒流源存在着电路复杂、体积较大、精度低、造价高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于改善现有技术中所存在的上述不足，提供一种造价较低、体积较小的恒流源。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：
一种恒流源，包括AC-DC整流单元、包含IPM的IPM单相逆变单元、控制电路模块和并流控制电路，所述AC-DC整流单元包括至少两个AC-DC整流模块，用于将市电转换为直流电，IPM单相逆变单元包括至少两个IPM单相逆变模块，用于将所述AC-DC整流模块输出的直流电逆变为单相交流电输出，并流控制电路用于在所有的IPM单相逆变模块输出的电流相同时进行电流合并，所述控制电路模块包括输出电流采样电路、微处理器、输入模块和模块电流采样电路，模块电流采样电路用于将IPM单相逆变单元输出的电流反馈至微处理器，所述输出电流采样电路用于将负载输出的单相交流电反馈至所述微处理器，所述微处理器根据所述输出电流采样电路及模块电流采样电路采集的反馈电流和用户通过所述输入模块输入的输入电流的差值，调节所述IPM单相逆变模块输出的单相交流电的电流值。
优选地，上述恒流源中，所述恒流源还包括LC滤波单元，LC滤波单元包括至少两个LC滤波模块，所述IPM单相逆变模块输出单相交流电给所述LC滤波模块，所述LC滤波模块将所述单相交流电滤波后输出，所述模块电流采样电路用于将所述LC滤波模块输出的电流反馈至所述微处理器。
优选地，上述恒流源中，所述微处理器通过调节其输出的SPWM控制信号的脉冲宽度来调节所述IPM单相逆变模块输出的单相交流电的电流值。
优选地，上述恒流源中，所述控制电路模块还包括光电隔离驱动电路，所述微处理器输出的SPWM控制信号经所述光电隔离驱动电路处理后输入至所述IPM单相逆变模块，调节所述IPM单相逆变模块输出的单相交流电的电流值。
优选地，上述恒流源中，所述控制电路模块还包括故障解除控制电路,所述故障解除控制电路的输出端与所述微处理器连接，所述IPM单相逆变模块输出的故障信号经所述故障解决控制电路转换为故障排除触发信号，所述微处理器根据所述故障排除触发信号控制所述IPM单相逆变模块停止工作。
优选地，上述恒流源中，所述模块电流采样电路包括至少两组由交流电流传感器和采样调整电路组成的模块电路，所述LC滤波模块输出的电流被所述交流电流传感器采集后输入至所述采样调整电路，所述采样调整电路将所述交流电流传感器输出的电压调节转换后反馈至所述微处理器。
优选地，上述恒流源中，所述IPM单相逆变模块由两个PM200DSA060双单元型IPM组成。
优选地，上述恒流源中，所述恒流源还包括显示屏，所述显示屏与所述微处理器连接，所述显示屏用于显示模块电流采样电路输出的反馈电流、所述输出电流采样电路输出的反馈电流和用户通过所述输入模块输入的输入电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的恒流源，通过AC-DC整流模块与由IPM组成的IPM单相逆变模块相配合取代了传统的自耦变压器与升流变压器结构，不仅可以实现0～50A电流连续可调，同时还减小了恒流源的体积，降低了硬件电路复杂程度，并减少了成本。另外，微处理器用DSP取代了单片机，提高了系统的运算速度和采集精度，提高了恒流源的稳定性和准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1提供的恒流源的结构示意框图。
图2为本发明实施例2提供的恒流源的结构示意框图。
图3为本发明实施例2中光电隔离驱动电路图。
图4为本发明实施例2中故障解除控制电路图。
图5为本发明实施例2中输出电流采样电路图。
图6为本发明实施例2中并流控制电路图。
主要元件符号说明
AC-DC整流单元100；IPM单相逆变单元200；LC滤波单元300；控制电路模块400；微处理器401；输出电流采样电路402；按键403；显示屏404；外围电路405；光电隔离驱动电路406；故障解除控制电路407；模块电流采样电路408；并流控制电路500；负载600。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1示出了本实施例提供的恒流源的结构示意框图。请参阅图1，本实施例提供的恒流源包括AC-DC整流单元100、包含智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM)的IPM单相逆变单元200、LC滤波单元300和控制电路模块400、并流控制电路500，AC-DC整流单元包括至少两个AC-DC整流模块(如图中所示的AC-DC整流模块A101、AC-DC整流模块B102)，IPM单相逆变单元包括至少两个IPM单相逆变模块(如图中所示的IPM单相逆变模块A201、IPM单相逆变模块B202)，LC滤波单元包括至少两个LC滤波模块(如图中所示的LC滤波模块A301、LC滤波模块B302)，AC-DC整流模块、IPM单相逆变模块、LC滤波模块依次电性连接，LC滤波模块的输出端连接并流控制电路500，并流控制电路500连接有负载600。每个AC-DC整流模块的结构相同，每个IPM单相逆变模块的结构相同，每个LC滤波模块的结构相同，一个AC-DC整流模块、一个IPM单相逆变模块、一个LC滤波模块依次电性连接，LC滤波模块、AC-DC整流模块、IPM单相逆变模块的数量相同，至少两个AC-DC整流模块、至少两个IPM单相逆变模块、至少两个LC滤波模块形成对称结构，这样可以保障每条电路的电流相同，以便于进行电流叠加，增大输出电流。控制电路模块400包括模块电流采样电路408、输出电流采样电路402、微处理器401和输入模块，IPM单相逆变模块200与微处理器401电性连接，模块电流采样电路408与LC滤波模块的输出端电性连接，以获得LC滤波模块300的输出电流，输出电流采样电路402与负载电性连接，以获得负载的输出电流，微处理器401与输入模块电性连接，以获得用户通过输入模块输入的电流值。
220V交流市电接入AC-DC整流模块，AC-DC整流模块将220V交流市电整流滤波转换为平滑的直流电，输出至IPM单相逆变模块；IPM单相逆变模块将AC-DC整流模块输出的直流电逆变为单相交流电，输出至LC滤波模块；LC滤波模块由电感和电容组成，LC滤波模块将该单相交流电滤除高次谐波后输出给并流控制电路500，对于两个恒流电路的输出电流进行检测，相同时，则控制合并两电流，达到大电流输出。不相同时，控制两个恒流，直至两个电流相同再合并两电流。并流控制电路500输出的大电流供给给负载600；模块电流采样电路408具有至少两个与输出电流采样电路402相同结构的模块电路，一个模块电路采集一个LC滤波模块输出的电流，并将其反馈至微处理器401，输出电流采样电路402将负载输出的单相交流电反馈至微处理器401，微处理器401比较LC滤波模块输出的反馈电流、输出电流采样电路402输出的反馈电流与用户通过输入模块输入的输入电流的大小，得到三者之间的差值，根据差值调节IPM单相逆变模块输出的单相交流电的电流值，使得LC滤波模块输出的电流恒定在用户输入的电流值。
并流控制电路500如图6所示。当检测到前面两个恒流电路输出的电流相同时，则控制I_ADD_CON输出高电平，控制继电器吸合，使两个电流合并，输出一个大电流。如果两个恒流电路输出的电流不相同，则控制I_ADD_CON输出低电平，控制继电器断开，无电流输出。
与传统的恒流源相比，本实施例提供的恒流源，通过AC-DC整流模块与IPM单相逆变模块相配合，取代了传统恒流源中的自耦变压器与升流变压器结构，不仅可以实现0～50A电流连续可调，同时还减小了恒流源的体积，也降低了硬件电路复杂程度，并减少了成本。
需要说明的是，本实施例提供的恒流源包括的LC滤波模块不是必要部件，使用LC滤波模块的目的是滤除AC-DC整流模块输出的直流电中的高次谐波，使得恒流源的输出电流更纯净，提高恒流源的输出电流质量。
实施例2
图2示出了本实施例提供的恒流源的结构框图。请参见图2，本实施例提供的恒流源与实施例1中提供的恒流源相比，区别在于：控制电路模块400还包括光电隔离驱动电路406、故障解除控制电路407以及显示屏404，光电隔离驱动电路406、故障解除控制电路407以及显示屏404均与微处理器401电性连接。
本实施例中，微处理器401根据输出电流采样电路402采集的反馈电流和用户通过所述输入模块输入的输入电流的差值，调节其输出的正弦脉冲调制(SinusoidalPulseWidthModulation，简称SPWM)控制信号的脉冲宽度来调节IPM单相逆变模块输出的单相交流电的电流值。具体的，微处理器401根据下列公式调节SPWM控制信号的脉冲宽度，
P2＝KPΔ2I+KIΔI+P1
式中，KP为比例系数，KI为积分系数，P1为上次输出SPWM控制信号的脉冲宽度值，P2为调节后输出的脉冲宽度值，ΔI为输入电流与反馈电流的差值。假定用户通过输入模块给定的输入电流为I1，反馈电流为I2，那么ΔI＝I1-I2，当反馈电流大于输入电流时，即I2大于I1，此时ΔI为负值，代入上式中计算可得P2<P1，即所需输出的SPWM控制信号的脉冲宽度变小，则LC滤波模块输出的电流也随之变小；反之，当反馈电流小于输入电流时，即I2小于I1，此时ΔI为正值，代入上式中计算可得P2>P1，即所需输出的SPWM控制信号的脉冲宽度变大，则LC滤波模块输出的电流也随之变大。微处理器401通过调节其输出的SPWM控制信号的脉冲宽度来调节所述IPM单相逆变模块输出的单相交流电的电流值的大小，实现恒流源的输出电流值达到用户通过输入模块输入的输入电流值，可保持恒流源的输出电流恒定不变，也可实现恒流源的输出电流连续可调。
输入模块可以是键盘403或手写输入屏，所述键盘403可以是软键盘或者硬键盘，键盘403可以包含“+”键、“-”键、“清零”键、“电流给定”键，操作一次“+”键或“-”键的电流变化幅度值可以是1A。
显示屏404用于显示用户通过键盘403输入的输入电流值，也可以显示反馈电流值。键盘403和显示屏404可以是分别独立的设备，也可以集成在一起。
SPWM控制信号属于弱电信号，而IPM单相逆变模块中存在大量的强电信号，因此，为了实现强电信号与弱电信号的相互隔离，避免强电信号与弱电信号之间的相互影响，本实施例中的恒流源设置了光电隔离驱动电路406，微处理器401输出的SPWM控制信号经过光电隔离驱动电路406放大及光电隔离后输出至IPM单相逆变模块，驱动IPM单相逆变模块中的开关器件工作。本实施例中，光电隔离驱动电路406采用光耦元件HCPL4504对强电信号和弱电信号进行隔离，光电隔离驱动电路406如图3所示。
由IPM组成的单相逆变模块的结构形式可以有很多种，本实施例中，IPM单相逆变模块由两个PMDSA060双单元型IPM组成，最大可承受A的电流，并具有损耗小、抗干扰能力强、多种保护功能等优点，在恒流源输出大电流时能稳定可靠地工作。
PMDSA060中内置有欠压保护、过热保护、过流保护、短路保护等电路，由于其内置的各种保护电路只能提供故障信号，而不具备切断故障源的功能，因此本实施例中提供的恒流源，控制电路模块400还包括故障解除控制电路407，通过故障解除控制电路407将IPM单相逆变模块发出的故障信号转变为切断故障源的信号，以避免IPM单相逆变模块持续运行在故障状态下，实现保护功能。以IPM单相逆变模块输出的一路故障信号为例，其故障解除控制电路407的具体电路原理图如图4所示。
参阅图4，当IPM单相逆变模块的一个开关器件单元发生故障时，FPO1信号变为低电平，由于FPO1为低电平，在光耦PC817的另一端FO1信号被拉低，这是IPM单相逆变模块中一个开关器件单元的情况，而本实施例中IPM单相逆变模块由两个PMDSA060型IPM模块组成，因此有四个故障信号，而通过光耦处理的FO1～FO4四个信号均通过一个二极管连接到微处理器401的功率保护中断引脚PDPINTA，并接1K的上拉电阻到3.3V，以形成一个与门，当4个信号中任一信号被拉低时，由于与门的作用使得中断引脚PDPINTA同样被拉为低电平，此时微处理器401封锁SPWM控制信号输出，从而达到保护IPM单相逆变模块的目的。
由于DSP芯片相比于传统恒流源采用的单片机芯片具有运算速度更快、精度更高的优势，因此本实施例中，微处理器401优选采用DSP芯片，例如TMS320F2812。
输出电流采样电路402包括交流电流传感器，用于采集LC滤波模块输出的电流。基于器件选取及系统结构的不同，输出电流采样电路402的具体结构可以有所不同。例如很实施例中，微处理器401采用TMS320F2812芯片，由于TMS320F2812的A/D采样端口所允许的输入电压范围为0～3.3V，而交流电流传感器采样所得到的电压信号为1～5V，因此请参阅图5，本实施例中，输出电流采样电路402还包括采样调整电路，LC滤波模块输出的电流被所述交流电流传感器采集后输入至所述采样调整电路，采样调整电路将交流电流传感器输出的1～5V电压调节转换得到0～3.3V后反馈至微处理器401。
本实施例中，AC-DC整流模块可以将220V交流市电转换为48V/5A的直流电输出，其能够为后一级IPM单相逆变模块提供最高达240W的输入功率，能够实现大电流输出的目的，并且提高了恒流源的稳定性。
容易理解的，微处理器401工作需要配合外围电路，例如时钟电路、电源电路等，本实施例中的微处理器401只需要配合最简单的外围电路405即可正常工作，即外围电路405包括时钟电路、电源电路、复位电路和仿真接口。
本实施例中未描述之处请参阅实施例1中相应描述。
本实施例提供的恒流源，具有稳定性好、成本较低、结构简单、输出电流较大等特点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种恒流源，其特征在于，包括AC-DC整流单元、包含IPM的IPM单相逆变单元、控制电路模块和并流控制电路，所述AC-DC整流单元包括至少两个AC-DC整流模块，用于将市电转换为直流电，IPM单相逆变单元包括至少两个IPM单相逆变模块，用于将所述AC-DC整流模块输出的直流电逆变为单相交流电输出，并流控制电路用于在所有的IPM单相逆变模块输出的电流相同时进行电流合并，所述控制电路模块包括输出电流采样电路、微处理器、输入模块和模块电流采样电路，模块电流采样电路用于将IPM单相逆变单元输出的电流反馈至微处理器，所述输出电流采样电路用于将负载输出的单相交流电反馈至所述微处理器，所述微处理器根据所述输出电流采样电路及模块电流采样电路采集的反馈电流和用户通过所述输入模块输入的输入电流的差值，调节所述IPM单相逆变模块输出的单相交流电的电流值。
2.根据权利要求1所述的恒流源，其特征在于，所述恒流源还包括LC滤波单元，LC滤波单元包括至少两个LC滤波模块，所述IPM单相逆变模块输出单相交流电给所述LC滤波模块，所述LC滤波模块将所述单相交流电滤波后输出，所述模块电流采样电路用于将所述LC滤波模块输出的电流反馈至所述微处理器。
3.根据权利要求2所述的恒流源，其特征在于，所述微处理器通过调节其输出的SPWM控制信号的脉冲宽度来调节所述IPM单相逆变模块输出的单相交流电的电流值。
4.根据权利要求3所述的恒流源，其特征在于，所述控制电路模块还包括光电隔离驱动电路，所述微处理器输出的SPWM控制信号经所述光电隔离驱动电路处理后输入至所述IPM单相逆变模块，调节所述IPM单相逆变模块输出的单相交流电的电流值。
5.根据权利要求2所述的恒流源，其特征在于，所述控制电路模块还包括故障解除控制电路,所述故障解除控制电路的输出端与所述微处理器连接，所述IPM单相逆变模块输出的故障信号经所述故障解决控制电路转换为故障排除触发信号，所述微处理器根据所述故障排除触发信号控制所述IPM单相逆变模块停止工作。
6.根据权利要求2所述的恒流源，其特征在于，所述模块电流采样电路包括至少两组由交流电流传感器和采样调整电路组成的模块电路，所述LC滤波模块输出的电流被所述交流电流传感器采集后输入至所述采样调整电路，所述采样调整电路将所述交流电流传感器输出的电压调节转换后反馈至所述微处理器。
7.根据权利要求2所述的恒流源，其特征在于，所述IPM单相逆变模块由两个PM200DSA060双单元型IPM组成。
8.根据权利要求2所述的恒流源，其特征在于，所述恒流源还包括显示屏，所述显示屏与所述微处理器连接，所述显示屏用于显示模块电流采样电路输出的反馈电流、所述输出电流采样电路输出的反馈电流和用户通过所述输入模块输入的输入电流。
9.根据权利要求2所述的恒流源，其特征在于，所述输入模块为键盘。
10.根据权利要求2所述的恒流源，其特征在于，所述微处理器为DSP芯片。
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