CN112286273A - 一种高性能恒流装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能恒流装置和方法，属于电力电子相关领域，该恒流装置采用系统设计的思路，通过多环路反馈并配合前馈的方式进行恒流拉载，从而避免因MOS管分布参数离散性所导致的拉载电流不均衡问题，相比传统的实现方式，该电路大大降低了MOS管选取难度，同时取消了均流电阻和MOS管过流保护装置，故该恒流装置特别适合需要MOS管并联进行大电流高速恒流拉载的场合。

Description

一种高性能恒流装置和方法
技术领域
该技术方案涉及一种高性能恒流装置和方法，属于电力电子相关领域。
背景技术
随着电子技术的发展，各种要求苛刻的供电场景越来越多，在一些应用中需要大电流恒流供电且要求快速的响应速度，在这些应用中，一般采用MOS管并联的方式进行恒流拉载。目前流行的并联方式是将MOS管作为并联单元，进行依次并联。采用这种方式，MOS管分布参数的离散性将使MOS管拉载电流不均匀。体现在两方面，一是受栅极分布电容离散性的影响，拉载开启的瞬时MOS管导通时间不一致，个别MOS管存在过冲严重的问题，导致MOS管瞬时过功率的情况；二是拉载稳定运行后，受MOS管导通电阻离散性的影响，致使各MOS管的稳态拉载电流分布不均匀，造成个别MOS管过热。以上两个问题均是由MOS管分布参数的离散性造成的电流分布不均匀所导致的。目前解决上述问题主要采取以下方法，一是串接均流电阻的方法，缺点是在大电流的情况下均流电阻体积会很大，发热严重，对布板要求过高；二是选用分布参数离散性小的MOS管，但由于MOS管的分布参数厂家很难做到精准控制，所以购买难度大，采购成本会明显增加；三是采用为每一路MOS管增加过流保护的方法，该方法会减慢环路的拉载速度，不适用对响应速率要求高的场合。
发明内容
该发明专利主要针对目前MOS管并联拉载电流较大且要求高精度高响应速度的应用场合，设计出一种新的高性能恒流电路装置，避免因MOS管分布参数离散性所导致的电流拉载不均衡问题。该电路采用多环路反馈并配合前馈的系统设计思路，在提高系统的鲁棒性，保证响应速度的基础上，抑制MOS管开启时严重过冲，并确保稳态拉载电流均匀。
现结合附图说明本发明的技术方案：
一种高性能恒流装置含反馈控制单元(1)，恒流拉载单元(2)，负载(3)，恒压源(4)，反馈控制单元(1)含第一信号接口(11)，第二信号接口(12)，第三信号接口(13)，反馈控制单元(1)利用前馈算法完成用户给定信号补偿和输出，量程校正信号输出以及反馈电压信号接收处理，恒流拉载单元(2)含第四信号接口(21)，第五信号接口(22)，第六信号接口(23)，第七信号接口(24)，第八信号接口(25)，恒流拉载单元(2)由负反馈电路实现，用于完成恒流拉载，负载(3)含第九信号接口(31)，第十信号接口(32)，负载(3)是需要进行恒流驱动的用电器件模块或设备，恒压源(4)含第十一信号接口(41)，第十二信号接口(42)，恒压源完成电能量的供给，其中，第一信号接口(11)与第六信号接口(23)连接，恒流拉载单元(2)通过该连接接收反馈控制单元（1）产生的量程校正信号，第二信号接口(12)与第四信号接口(21)连接，恒流拉载单元(2)通过该连接接收反馈控制单元(1)产生的给定电压信号，第三信号接口(13)与第五信号接口(22)连接，恒流拉载单元(2)通过该连接输出反馈电压信号到反馈控制单元(1)，第七信号接口(24)与第十一信号接口(41)连接，恒流拉载单元(2)通过该连接接收恒压源(4)输出信号，第八信号接口(25)与第九信号接口(31)连接，恒流拉载单元(2)通过该连接输出恒流信号到负载(31)，第十信号接口(32)与第十二信号接口(42)连接，恒压源(4)通过该连接接收负载(3)回流信号，其特征在于，恒流拉载单元(2)还含减法器电路(26)，主增益调节电路(27)，局部反馈拉载电路(28)，主反馈电路(29)，其中，减法器电路(26)含第十三信号接口(261)，第十四信号接口(262)，第十五信号接口(263)，减法器电路(26)完成给定电压信号与主反馈电路(29)输出信号作差，产生误差信号，主增益调节电路(27)含第十六信号接口(271)，第十七信号接口(272)，第十八信号接口(273)，主增益调节电路(27)完成误差信号的放大调理，产生驱动信号，局部反馈拉载电路(28)含第十九信号接口(281)，第二十信号接口(282)，第二十一信号接口(284)，第二十二信号接口(283)，局部反馈拉载电路(28)由电流负反馈电路实现，可以进行多项并联，产生拉载电流信号，受信号驱动能力和散热限制，并联项数一般不超过十项，
主反馈电路(29)含第二十三信号接口(291)，第二十四信号接口(292)，第二十五信号接口(293)，主反馈电路(29)完成局部反馈拉载电路(28)拉载电流信号的采样，并输出拉载电流采样信号，第四信号接口(21)连接第十三信号接口(261)，减法器电路(26)通过该连接接收反馈控制单元(1)产生的给定电压信号，第十四信号接口(262)连接第十六信号接口(271)，主增益调节电路(27)通过该连接接收减法器电路(26)产生的误差信号，第二十四信号接口(292)连接第十五信号接口(263)，减法器电路(26)通过该连接接收主反馈电路(29)产生的拉载电流采样信号，第六信号接口(23)连接第十七信号接口(272)，主增益调节电路(27)通过该连接接收反馈控制单元(1)产生的量程校正信号，第十八信号接口(273)连接第十九信号接口(281)，局部反馈拉载电路(28)通过该连接接收主增益调节电路(27)产生的驱动信号，第二十一信号接口(284)连接第二十三信号接口(291)，主反馈电路(29)通过该连接采样局部反馈拉载电路(28)产生的拉载电流信号，第二十二信号接口(283)连接第九信号接口(31)，负载(3)通过该连接接收恒流拉载单元(2)输出的拉载电流，第二十五信号接口(293)连接第五信号接口(22)，反馈控制单元(1)通过该连接接收主反馈电路(29)产生的反馈电流信号。
进一步的，反馈控制单元(1)由单片机，数字信号处理器或者FPGA实现。
进一步的，恒压源(4)由恒压电源模块或者外部恒压源实现。
进一步的，减法器电路(26)由基于运算放大器或者三极管的差分电路实现。
进一步的，主增益调节电路(27)由基于运算放大器的放大电路或者信号放大模块实现。
进一步的，主反馈电路(29)由基于运算放大器的放大电路或者信号采集模块实现。
进一步的，局部反馈拉载电路(28)由基于运算放大器或者三极管的电流负反馈电路实现。
根据上述高性能恒流装置，涉及一种高性能恒流装置软件控制方法，首先利用前馈控制算法调整输入给定信号，补偿系统非线性因素，使输出电流线性化，然后硬件上利用多环路控制的方式分散拉载应力，减少对单一器件的冲击，具体包含以下步骤：
（1）在待机态进入调试状态，设置特征拉载值得到前馈补偿曲线，退出调试状态进入待机态；
（2）设置拉载电流值，输入反馈控制单元(1)；
（3）反馈控制单元(1)判断是否需要切换量程；
（4）根据量程选取对应的前馈补偿曲线，补偿给定信号的非线性因素；
（5）将补偿后的给定信号送入恒流拉载单元(2)完成恒流拉载；
（6）拉载过程实时监测电流，如果电流因温漂时漂问题出现偏移，则通过前馈算法微调给定信号，如果电流出现超限问题立即停止拉载；
（7）输入停止信号，恒流装置停止拉载，返回待机态。
本发明的积极进步效果在于，抑制了MOS管参数离散性对拉载均流的影响，不影响环路响应速度，无需均流电阻，从而在提高了恒流电路的适应性同时降低了成本。
附图说明
图1 恒流装置示意图。
图2 反馈控制单元示意图。
图3 软件流程图。
图4 减法器电路实施例示意图。
图5 主增益调节电路实施例示意图。
图6 主反馈电路实施例示意图。
图7 局部反馈拉载电路实施例示意图。
图8 旧恒流电路纯比例拉载瞬态分析图。
图9 新恒流电路纯比例拉载瞬态分析图。
具体实施方式
下面将根据附图更详细地介绍本发明的示例性实施例，该实施例的结构与发明内容所描述的结构相同。虽然附图中展示了本发明的示例性实施例，但是应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为了清楚简明起见，说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
该实施示例输入电压范围为0---400V，输入电流范围0---60A，采用三路局部反馈拉载电路并联的拉载方式，即每路平均拉载20A电流，拉载响应速度控制在500us以内，具体实施方式如下所述，
反馈控制单元1采用数字信号处理器实现，减法器电路26如图4减法器电路实施例示意图，采用基于高速低噪声运算放大器的差分电路实现，主增益调节电路27如图5主增益调节电路实施例示意图，该电路由量程校正电路274和积分放大补偿275电路构成，量程校正电路274由低阻抗模拟通道换路器实现，积分放大补偿电路275采用极低偏置电压运算放大器搭建，主反馈电路29如图6主反馈电路实施例示意图，该电路由电流采样反馈电路295和电流均值电路294构成，电流采样反馈电路295采用高速低噪声运算放大器搭建，电流均值电路294采用分立无源器件搭建，局部反馈拉载电路28如图7局部反馈拉载电路实施例示意图，该电路由局部减法器电路285，可调增益电路286，功率管287，局部采样电路288构成，局部减法器电路285采用高速低噪声运算放大器实现，可调增益电路286采用由分立元器件搭建的典型反馈网络和高速低阻抗模拟开关搭建的网络切换电路实现，功率管287采用N沟道高速功率MOSFET实现，局部采样电路288采用低噪声，高精度，高速运算放大器实现。
该实施例实现原理，反馈控制单元1根据输入拉载电流信号对给定电压信号进行补偿，并调整量程校正电路274，补偿后的给定电压信号输入恒流拉载单元2，减法器电路26完成给定电压信号和拉载电流采样信号做差，误差信号送入主增益调节电路27补偿放大，产生驱动信号送入三路并联的局部反馈拉载电路28，局部减法器电路285完成驱动信号和局部采样电流信号做差，误差信号送入可调增益电路286进行调理，调理后的信号控制功率管287，功率管287通过控制沟道宽度控制拉载电流的大小，局部采样电路288实时采样拉载电流，并将局部采样电流信号送入局部减法器电路285形成局部反馈，主反馈电路29采样拉载电流信号送入减法器电路26形成主反馈，同时主反馈电路29将采样的反馈电压送入反馈控制单元1，反馈控制单元1根据反馈电压的大小对给定电压信号进行调整，确保精准恒流。
结合图8旧恒流电路纯比例拉载瞬态分析图和图9新恒流电路纯比例拉载瞬态分析图，旧恒流电路拉载开启瞬间整体超调偏高，个别MOS管超调达到50A。新恒流电路拉载开启瞬间整体超调较低，最高不会超过39A。旧恒流电路拉载电流达到稳态需要300us的时间，新恒流电路拉载电流达到稳态需要200us的时间，响应速度显著加快。
由于本发明可以明显抑制MOS管参数离散性对MOS管并联的影响，故特别适合需要MOS管并联使用的高电流恒流拉载场合，如大电流LED恒流驱动器，恒流源测试系统均可使用。

Claims (8)

1.一种高性能恒流装置含反馈控制单元(1)，恒流拉载单元(2)，负载(3)，恒压源(4)，反馈控制单元(1)含第一信号接口(11)，第二信号接口(12)，第三信号接口(13)，反馈控制单元(1)利用前馈算法完成用户给定信号调理补偿和输出，量程校正信号输出和反馈电压信号接收处理，恒流拉载单元(2)含第四信号接口(21)，第五信号接口(22)，第六信号接口(23)，第七信号接口(24)，第八信号接口(25)，恒流拉载单元(2)由负反馈电路实现，用于完成恒流拉载，负载(3)含第九信号接口(31)，第十信号接口(32)，负载(3)为需要进行恒流驱动的用电器件模块或设备，恒压源(4)含第十一信号接口(41)，第十二信号接口(42)，恒压源完成电能量的供给，其中，第一信号接口(11)与第六信号接口(23)连接，恒流拉载单元(2)通过该连接接收反馈控制单元（1）产生的量程校正信号，第二信号接口(12)与第四信号接口(21)连接，恒流拉载单元(2)通过该连接接收反馈控制单元(1)产生的给定电压信号，第三信号接口(13)与第五信号接口(22)连接，恒流拉载单元(2)通过该连接输出反馈电压信号到反馈控制单元(1)，第七信号接口(24)与第十一信号接口(41)连接，恒流拉载单元(2)通过该连接接收恒压源(4)输出信号，第八信号接口(25)与第九信号接口(31)连接，恒流拉载单元(2)通过该连接输出恒流信号到负载(31)，第十信号接口(32)与第十二信号接口(42)连接，恒压源(4)通过该连接接收负载(3)回流信号，其特征在于，恒流拉载单元(2)还含减法器电路(26)，主增益调节电路(27)，局部反馈拉载电路(28)，主反馈电路(29)，其中，减法器电路(26)含第十三信号接口(261)，第十四信号接口(262)，第十五信号接口(263)，减法器电路(26)完成给定电压信号与主反馈电路(29)输出信号作差，产生误差信号，主增益调节电路(27)含第十六信号接口(271)，第十七信号接口(272)，第十八信号接口(273)，主增益调节电路(27)完成误差信号的放大调理，产生驱动信号，局部反馈拉载电路(28)含第十九信号接口(281)，第二十信号接口(282)，第二十一信号接口(284)，第二十二信号接口(283)，局部反馈拉载电路(28)由电流负反馈电路实现，可以进行多项并联，产生拉载电流信号，受信号驱动能力和散热限制，并联项数一般不超过十项，主反馈电路(29)含第二十三信号接口(291)，第二十四信号接口(292)，第二十五信号接口(293)，主反馈电路(29)完成局部反馈拉载电路(28)拉载电流信号的采样，并输出拉载电流采样信号，第四信号接口(21)连接第十三信号接口(261)，减法器电路(26)通过该连接接收反馈控制单元(1)产生的给定电压信号，第十四信号接口(262)连接第十六信号接口(271)，主增益调节电路(27)通过该连接接收减法器电路(26)产生的误差信号，第二十四信号接口(292)连接第十五信号接口(263)，减法器电路(26)通过该连接接收主反馈电路(29)产生的拉载电流采样信号，第六信号接口(23)连接第十七信号接口(272)，主增益调节电路(27)通过该连接接收反馈控制单元(1)产生的量程校正信号，第十八信号接口(273)连接第十九信号接口(281)，局部反馈拉载电路(28)通过该连接接收主增益调节电路(27)产生的驱动信号，第二十一信号接口(284)连接第二十三信号接口(291)，主反馈电路(29)通过该连接采样局部反馈拉载电路(28)产生的拉载电流信号，第二十二信号接口(283)连接第九信号接口(31)，负载(3)通过该连接接收恒流拉载单元(2)输出的拉载电流，第二十五信号接口(293)连接第五信号接口(22)，反馈控制单元(1)通过该连接接收主反馈电路(29)产生的反馈电流信号。
2.根据权利要求1所述一种高性能恒流装置，其特征在于，反馈控制单元(1)由单片机，数字信号处理器或者FPGA实现。
3.根据权利要求1所述一种高性能恒流装置，其特征在于，恒压源(4)由恒压电源模块或者外部恒压源实现。
4.根据权利要求1所述一种高性能恒流装置，其特征在于，减法器电路(26)由基于运算放大器或者三极管的差分电路实现。
5.根据权利要求1所述一种高性能恒流装置，其特征在于，主增益调节电路(27)由基于运算放大器的放大电路或者信号放大模块实现。
6.根据权利要求1所述一种高性能恒流装置，其特征在于，主反馈电路(29)由基于运算放大器的放大电路或者信号采集模块实现。
7.根据权利要求1所述一种高性能恒流装置，其特征在于，局部反馈拉载电路(28)由基于运算放大器或者三极管的电流负反馈电路实现。
8.一种高性能恒流装置涉及一种软件控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1) 在待机态进入调试状态，设置特征拉载值得到前馈补偿曲线，退出调试状态进入待机态；
(2) 设置拉载电流值，输入反馈控制单元(1)；
(3) 反馈控制单元(1)判断是否需要切换量程；
(4) 根据量程选取对应的前馈补偿曲线，补偿给定信号的非线性因素；
(5) 将补偿后的给定信号送入恒流拉载单元(2)完成恒流拉载；
(6) 拉载过程实时监测电流，如果电流因温漂时漂问题出现偏移，则通过前馈算法微调给定信号；如果电流出现超限问题立即停止拉载；
(7) 输入停止信号，恒流装置停止拉载，返回待机态。
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