CN107037852B - 线性压控电流源拓扑结构及太阳阵模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于太阳阵模拟器的线性压控电流源拓扑结构及太阳阵模拟器，线性压控电流源拓扑结构包括：三端口线性功率复合晶体管，三端口线性功率复合晶体管由多个N沟道常开型JFET与N沟道常闭型MOSFET级联构成。本发明采用多个N沟道常开型JFET与N沟道常闭型MOSFET级联来替代单管功率MOSFET，且每一个JFET功率管的热耗功率通过选用合适的漏源极电压的钳位稳压管来限定，故单路电流源的热耗功率与级联JFET的个数成线性正比例关系，而相同额定耗散功率条件下的电流源并联路数与级联JFET的个数成线性反比例关系，极大减小电流源的并联支路数，可较大程度的优化太阳阵模拟器的体积和简化电路结构。

Description

线性压控电流源拓扑结构及太阳阵模拟器

技术领域

本发明涉及太阳阵模拟器技术领域，尤其涉及一种应用于太阳阵模拟器的线性压控电流源拓扑结构及太阳阵模拟器。

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，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动态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。

采用线性功率级方案的太阳阵模拟器，一般采用线性电流型输出，并采用多路线性压控电流源进行并联来提高功率处理能力。由于受到体积和空间物理大小的限制，可完成的并联路数有限，输出功率一般较小，适用于动态特性要求较高并且输出模拟I-V精度教导的中小功率场合。

总结以上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。

但是针对航天和军事等对测试电源的动态响应和功率输出精度要求较高的场合，开关型功率级方案无法满足该指标要求，一般采用线性功率级方案。现存的线性功率级方案拓扑很难做到较大功率的输出能力，并且为了提高处理功率的能力，采用多路线性电流源进行并联的方案来实现。但是由于体积和空间物理距离的限制，一般的设计的线性功率级拓扑无法实现较多路数的并联，以及没有完整的线性电流源的晶体管选择优化方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种应用于太阳阵模拟器的线性压控电流源拓扑结构及太阳阵模拟器，以优化线性功率级的太阳阵模拟器，减小线性电流源的并联支路数，可较大程度的优化太阳阵模拟器的体积和简化电路结构。

为了达到上述目的，本发明提出一种应用于太阳阵模拟器的线性压控电流源拓扑结构，包括：三端口线性功率复合晶体管，所述三端口线性功率复合晶体管由多个N沟道常开型JFET与N沟道常闭型MOSFET级联构成。

其中，所述三端口线性功率复合晶体管由一个N沟道常闭型MOSFET充当级联支路的最低端功率晶体管M，以及与M相级联的若干相同型号的N沟道常开型JFET构成。

其中，所述N沟道常开型JFET至少为5个。

其中，各个JFET之间的栅极和上端相邻JFET的源极之间采用相同型号的稳压管相接。

其中，所述稳压管与对应的JFET的源极之间连接有限流电阻。

其中，所述稳压管的两端并联有消除噪声电容。

本发明还提出一种太阳阵模拟器，包括如上所述的线性压控电流源拓扑结构。

本发明设计了一种应用于太阳阵模拟器的线性压控电流源拓扑结构及太阳阵模拟器，可应用在新能源、逆变器电源测试、航天器电源测试等系统中，采用新型的级联式JFET线性功率级电流源拓扑方案拓扑，给出优化应用于太阳阵模拟器的线性功率级的实现方案，实现太阳阵模拟器功率密度及高动态响应特性，采用多个N沟道常开型JFET与N沟道常闭型MOSFET级联来替代单管功率MOSFET，且每一个JFET功率管的热耗功率通过选用合适的漏源极电压的钳位稳压管来限定，故单路电流源的热耗功率与级联JFET的个数成线性正比例关系，而相同额定耗散功率条件下的电流源并联路数与级联JFET的个数成线性反比例关系，极大的减小电流源的并联支路数，从而可较大程度的优化太阳阵模拟器的体积和简化电路结构。

附图说明

图1a是本发明本发明优化型线性压控电流源的电路结构示意图；

图1b是本发明优化型线性压控电流源的三端口线性功率复合晶体管电路结构图；

图2a和图2b分别是线性电流源三端口复合功率晶体管电压的变化对应的电路工作状态示意图；

图3是随着三端口复合晶体管电压Vdrain的变化所对应的各个JFET电压的变化情况示意图；

图4是线性压控电流源工作原理曲线示意图；

图5是基于复合型功率晶体管级联JFET个数为p(p≥5)电流源并联路数为N(N≥4)的线性功率级拓扑的太阳阵模拟器实现原理示意图；

图6是采用新型线性功率拓扑的太阳阵模拟器输出特性曲线。

为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明可应用在新能源、逆变器电源测试、航天器电源测试等系统中，采用新型的级联式JFET线性功率级拓扑，给出优化应用于太阳阵模拟器的线性功率级的方法,实现太阳阵模拟器功率密度及高动态响应特性。线性功率级一般采用很多路单个功率管形式的线性电流源的并联的方式来提高功率等级需求,过多路数的并联电流源会导致太阳阵模拟器的体积较大,电流源之间的空间物理距离的增加会导致各个电流源之间电气性能的差异性较大。针对该问题，本发明提出一种新型的线性电流源拓扑方案，采用多个N沟道常开型JFET与N沟道常闭型MOSFET级联来替代单管功率MOSFET，且每一个JFET功率管的热耗功率通过选用合适的漏源极电压的钳位稳压管来限定，故单路电流源的热耗功率与级联JFET的个数成线性正比例关系，而相同额定耗散功率条件下的电流源并联路数与级联JFET的个数成线性反比例关系，极大的减小电流源的并联支路数，从而可较大程度的优化太阳阵模拟器的体积和简化电路结构。

具体地，参照图1a，图1a是本发明优化型线性压控电流源的电路结构示意图。

如图1a所示，本发明提出一种应用于太阳阵模拟器的新型的线性压控电流源拓扑结构，相对于一般的高边电流型输出的压控电流源而言，本发明将单一的功率晶体管(一般采用N沟道功率MOSFET)替换为级联型N沟道常开型JFET和N沟道常关型MOSFET复合型线型线性功率晶体管。

具体地，该线性压控电流源拓扑结构包括：三端口线性功率复合晶体管，所述三端口线性功率复合晶体管由多个N沟道常开型JFET与N沟道常闭型MOSFET级联构成。

其中，所述三端口线性功率复合晶体管由一个N沟道常闭型MOSFET充当级联支路的最低端功率晶体管M，以及与M相级联的若干相同型号的N沟道常开型JFET构成。如图1b所示，图1b为本发明优化型线性压控电流源的三端口线性功率复合晶体管电路结构图。

作为一种优选方案，所述N沟道常开型JFET至少为5个。

其中，各个JFET之间的栅极和上端相邻JFET的源极之间采用相同型号的稳压管相接。所述稳压管与对应的JFET的源极之间连接有限流电阻。所述稳压管的两端并联有消除噪声电容。

如图2所示，本发明提出的三端口线性功率复合晶体管是由一个N沟道常关型功率MOSFET充当级联支路的最低端功率晶体管M；与M相级联的为一系列相同型号的N沟道常开型JFET构成J₁～J_p(p≥5)；并且各个JFET之间的栅极和上端相邻JFET的源极之间采用相同型号的稳压管相接，分别为Z₁～Z_p-1；并且R_z1～R_zp-1为稳压管的限流电阻，各个阻值均保持一致均为R_z，可以保证对应稳压管可以安全可靠的工作于反向击穿稳压区域；C_z1～C_zp-1为各个稳压管的消除噪声电容，一般在pF级别，其容值较小且容值大小一致，均为C_z。

该三端口线性功率复合晶体管工作原理是：

可通过控制M的栅极和源极之间的电压，保证M工作于线性饱和区，M的栅源电压控制整条支路功率电流的大小。随着加在复合晶体管的等效漏极drain的电压逐渐升高，功率支路电流不变，而M的漏源电压逐渐升高，从而控制上端相邻的JFET由常开逐渐进入线性饱和区，并且将M的漏源电压钳位到J₁的源极和栅极之间的电压。

同理，再随着复合晶体管的漏极电压进一步提高，稳压管Z₁逐渐进入稳压状态，将相邻低端的J₁的漏源电压钳位在固定电压值。同理以此类推，Z₂将J₂的漏源电压进行钳位，Z_p-1将J_p-1的漏源电压进行钳位，而最高边的JFET漏源电压为所加在复合晶体管的漏极电压与各个进入稳压工作状态的稳压管电压之差。

由上述的工作原理的大致描述，对于复合晶体管等效于一个工作于线性饱和区的功率晶体管，压控电流源拓扑结构控制该支路的功率电流保持不变，故只要压控电流源的给定基准控制电压保持不变，该复合功率晶体管流过的电流保持不变。再有上述工作原理的描述，各个功率JFET的电压均大致被稳压管钳位在某一固定电压值，则每一个JFET工作于线性饱和区所对应的耗散功率便是可以确定的。

例如，假设未优化的传统的压控电流源的单路可耗散功率为30W，单个功率JFET工作于线性饱和区的最大可耗散功率为30W，复合型晶体管由5个JFET级联而成(p＝5)。则原来需要耗散600W功率的线性功率级单元，采用传统压控电流源支路进行并联来完成则需要20路电流源进行并联；而采用优化型压控电流源方案，单路电流源便可以耗散150W的功率，仅仅需要4路压控电流源支路进行并联便可完成额定耗散功率的需求。从而极大的减少了线性压控电流源的并联支路数目，同时可以极大简化线性功率级单元的电路结构，减小电流源支路之间控制电路的空间物理距离，有利于提高线性功率级单元输出电流的控制精度。

具体的三端口功率复合型晶体管功率支路随着等效漏极电压的变化而变化的电路工作状态具体分析如图2a和图2b所示，图2a是随着三端口复合功率管的电压Vdrain逐渐增加过程中的I，II，III三个状态电路工作示意图，图2b是随着三端口复合功率管的电压Vdrain逐渐增加过程中的IV，V，VI三个状态电路工作示意图。

图2a和图2b中复合型功率晶体管是由p(p≥5)个相同型号的JFET级联，p-1个相同型号的稳压管Z₁～Z_p-1，其进入反向击穿的稳压状态的电压相等，分别为V_ZT1＝V_ZT2＝…＝V_ZTp-1＝V_ZT；各个稳压管对应的限流电阻均相同，即有R_z1＝R_z2＝…＝R_zp-1＝R_z；各个消噪电容均相同，即有C_z1＝C_z2＝…＝C_zp-1＝C_z。将工作状态简单分为六个阶段，分别对每个阶段的电路状态分析如下。

State I为第一个状态，此时V_drain≤|V_P|，其中V_P为JFET的截断电压值。其中M处于线性饱和工作状态，J₁～J_p处于导通工作状态，存在等式如下：

V_{ds_M}＝V_drain (1)

随着V_drain的逐渐上升，开始进入第二个阶段状态State II，此时|V_P|<V_drain≤V_ZD1其中V_ZD1为Z₁刚好进入稳态状态时刻的电压值，定义如式：

V_DZ1＝I_{ZT_min}R_z+V_ZT (2)

其中：

I_{ZT_min}为稳压管进入稳压状态所需要的最小稳压电流值；

V_ZT为稳压管的反向击穿稳压值。

该state II状态，M，J₁处于线性饱和工作状态，J₂～J_p处于导通工作状态，Z₁开始逐渐进入稳压工作状态，可列得方程如下式：

其中I_z1为流入稳压管Z₁的反向漏电流，V_Z1为稳压管Z₁进入反向击穿稳压状态之前的两端的电压值。

State III电路状态如图2a所示，此时V_ZD1<V_drain≤V_ZD2其中V_ZD2为Z₂刚好进入稳态状态时刻的电压值，定义如式：

V_DZ2＝I_{ZT_min}R_z+2V_ZT (4)

M，J₁，J₂处于线性饱和工作状态，J₃～J_p处于导通工作状态，Z₁处于稳压工作状态，Z₂开始逐渐进入稳压工作状态，可列得该状态下的方程如下：

其中I_z2为流入稳压管Z₂的反向漏电流，V_Z2为稳压管Z₂进入反向击穿稳压状态之前的两端的电压值。

State IV电路状态如图2b所示，此时V_ZD2<V_drain≤V_ZD3其中V_ZD3为Z₃刚好进入稳态状态时刻的电压值，定义如式：

V_DZ3＝I_{ZT_min}R_z+3V_ZT (6)

M，J₁，J₂，J₃处于线性饱和工作状态；J₄～J_p处于导通工作状态；Z₁，Z₂处于稳压工作状态；Z₃开始逐渐进入稳压工作状态，并且可列得该状态下的方程如下：

其中I_z3为流入稳压管Z₃的反向漏电流，V_Z3为稳压管Z₃进入反向击穿稳压状态之前的两端的电压值。

State V电路状态如图2b所示，此时V_ZDp-2<V_drain≤V_ZDp-1其中V_ZDp-1为Z_p-1刚好进入稳态状态时刻的电压值，定义如式：

V_DZp-2＝I_{ZT_min}R_z+(p-2)V_ZT (7)

V_DZp-1＝I_{ZT_min}R_z+(p-1)V_ZT (8)

M，J₁，…，J_p-1处于线性饱和工作状态；J_p处于导通工作状态；Z₁，Z₂，…，Z_p-2处于稳压工作状态；Z_p开始逐渐进入稳压工作状态，并且可列得该状态下的方程如下：

其中I_zp-1为流入稳压管Z_p-1的反向漏电流，V_Zp-1为稳压管Z_p-1进入反向击穿稳压状态之前的两端的电压值。

State V电路状态如图2b所示，此时V_drain＞V_ZDp-1；M，J₁，…，J_p处于线性饱和工作状态；Z₁，Z₂，…，Z_p-1处于稳压工作状态，并且可列得该状态下的方程如下：

且以上六个状态可得波形示意图如图3所示，图3是随着三端口复合晶体管电压Vdrain的变化所对应的各个JFET电压的变化情况示意图。

V_drain不断缓慢从零增加，分别经过六个状态。在状态I，低端MOSFET的V_{ds_M}两端的电压即为V_drain，二者波形一致，到V_drain达到|V_P|时，M漏源电压被钳位保持不变。进入状态II时，J₁开始进入线性饱和区工作状态，V_{ds_J1}端的电压与V_drain之间相差一个栅源驱动电压-V_{gs_J1}，虚线上升过程部分与V_drain相等，当Z₁进入反向击穿稳压状态时，V_{ds_J1}被钳位在一固定电压值。进入状态III时，J₂开始进入线性饱和区工作状态，V_{ds_J2}端的电压与V_drain上升段之间相差一个栅源驱动电压-V_{gs_J2}，虚线上升过程部分与V_drain上升段相等，当Z₂进入反向击穿稳压状态时，V_{ds_J2}被钳位在一固定电压值。进入状态IV时，J₃开始进入线性饱和区工作状态，V_{ds_J3}端的电压与V_drain上升段之间相差一个栅源驱动电压-V_{gs_J3}，虚线上升过程部分与V_drain上升段相等，当Z₃进入反向击穿稳压状态时，V_{ds_J3}被钳位在一固定电压值。并且以此类推，不断一级一级去均分V_drain的电压，从而可以有效的控制每一个功率JFET的耗散功率，实现单路电流源可处理的功率等级是传统单管线性电流源的p倍。

该优化型线性压控电流源的理想工作数学方程表达式如式(11)：

其中U_Iref为压控电流源的控制电压，与功率电路的电流I_path成比例关系。稳态工作曲线如图4所示，图4是线性压控电流源工作原理曲线示意图。

其中#1为给定基准电压U_Iref随时间的变化曲线，#2位输出电流I_path随时间的变化曲线。其中I_path随着U_Iref变化而变化，并且图4中工作点A和工作点B的基准电压和输出电流比例关系一致。同时U_Iref与I_path的同步性要要优良，即I_path可以无时间相位延时地跟踪U_Iref的变化而变化。

采用上述提出的优化型线性压控电流源实现较少路数并联完成太阳阵模拟器输出功能，其系统结构图如图5所示，图5是基于复合型功率晶体管级联JFET个数为p(p≥5)电流源并联路数为N(N≥4)的线性功率级拓扑的太阳阵模拟器实现原理示意图。

该太阳阵模拟器系统分为两大块，分别为线性功率级单元和高速数字控制器单元。

线性功率级单元是由N路线性压控电流源并联构成且N≥4，多路线性压控电流源并联不仅不会影响整个功率级的带宽，而且可以大大增加线性功率级的功率处理能力，可以实现在大功率输出条件下的高动态特性。其中N路线性压控电流源的基准为公共基准U_Iref，基准电压与总电流的数学关系如式(12)所示：

高速数字控制器采用高速数模转换ADC和高速模数DAC以及高速FPGA，减小数字延时对整个模拟器系统的环路影响。高速FPGA通过差分采样电路给出的模拟器输出端电压采用国内信号，进行I-V表格查表，给出当前工作时刻需要的电流输出基准值，并通过高速DAC转换为模拟基准电压送入线性功率级单元。太阳阵模拟器工作的基准I-V曲线和模拟器输出接口对外输出的功率I-V曲线如图6所示，图6是采用新型线性功率拓扑的太阳阵模拟器输出特性曲线。

其中#3为模拟器输出端采样电压U_{sas_sa}与DAC给出的基准电压U_Iref之间的关系，得到的模拟器输出功率I-V曲线为#4所示，模拟器根据输出电压U_sas输出可控的功率电流I_sas。通过采用高带宽的线性压控电流源和高速FPGA数字控制器，可以实现太阳阵模拟器输出的的高动态响应特性，可以快速反应输出端分流切载条件下的I-V曲线上的工作点切换。

本发明基于一种新型级联JFET复合型线性功率晶体管的线性压控电流源拓扑结构，分析并给出了该设计的工作原理以及应用于太阳能阵列模拟器场合的结构方案。所提出的新型复合型线性功率晶体管采用p个JFET级联支路来等效替换传统线性电流源单个的功率晶体管的方法，其耗散功率相对于传统单路电流源的同等条件下的耗散功率的p倍。可以极大的减小相同功率等级条件下的电流源并联个数，从而可较大程度优化太阳能阵列模拟器的整机体积大小和整机电路结构，有利于集中式散热设计。线性压控电流源采用新型的控制电路结构，同样有利于多路电流源之间的并联，在该基础上可以进一步的提高线性功率级单元的耗散功率等级，可进一步提高线性方案的太阳阵模拟器的额定功率处理能力。并且同样的线性功率级方案，既可以保证太阳阵模拟器具备较优的输出电流模拟精度，也不会对太阳阵模拟器的动态性能产生影响，其较高的动态响应能力的输出电流精度同样可以以较优的工作状态去测试航天器电源系统。该设计的太阳阵模拟器采用高带宽的线性功率级和高速的数字控制器单元，不仅具备超高的动态性能，而且输出的功率电流无纹波，对功率I-V曲线模拟精度高。

此外，本发明实施例还提出一种太阳阵模拟器，包括如上所述的线性压控电流源拓扑结构，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种应用于太阳阵模拟器的线性压控电流源拓扑结构，其特征在于，包括：三端口线性功率复合晶体管，所述三端口线性功率复合晶体管由多个N沟道常开型JFET与N沟道常闭型MOSFET级联构成，并且控制所有的晶体管工作在线性饱和区，等效作为一个可变电阻；

所述三端口线性功率复合晶体管由一个N沟道常闭型MOSFET充当级联支路的最低端功率晶体管M，以及与M相级联的若干相同型号的N沟道常开型JFET构成；各个JFET之间的栅极和上端相邻JFET的源极之间采用相同型号的稳压管相接；

所述稳压管与对应的JFET的源极之间连接有限流电阻。

2.根据权利要求1所述的应用于太阳阵模拟器的线性压控电流源拓扑结构，其特征在于，所述N沟道常开型JFET至少为5个。

3.根据权利要求2所述的应用于太阳阵模拟器的线性压控电流源拓扑结构，其特征在于，所述稳压管的两端并联有消除噪声电容。

4.一种太阳阵模拟器，其特征在于，包括权利要求1-3中任一项所述的线性压控电流源拓扑结构。

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