CN114441815A - 基于igbt的大功率脉冲型恒流负载电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，包括：依次连接的单片机、控制电路、IGBT驱动电路、IGBT以及反馈电路；所述单片机接收外部设定的电流脉冲参数，向控制电路输出控制信号，控制电路对所述控制信号经过数据处理后输出参考电平，反馈电路采样IGBT输出的电流脉冲转换为反馈电平与参考电平一起驱动IGBT驱动电路工作，控制IGBT输出所需的电流脉冲；所述IGBT门极与IGBT驱动电路连接，IGBT集电极与测试电源连接，IGBT发射极与反馈电路连接。本申请采用IGBT作为电子负载，解决了小功率晶体管并联耐压较小，控制和维护困难的问题。通过控制电路、IGBT驱动电路以及反馈电路的相互配合，能够精确调整IGBT输出电流，使得IBGT的输出电流脉冲满足设计需求。

Description

基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路

技术领域

本申请涉及电子测试领域，特别涉及基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路。

背景技术

随着新能源的发展，电子负载的功率越来越大，实际使用参数跨度也越来越大。传统采用小功率晶体管(MOS器件)作为负载设计恒流负载电路应用受限，单个小功率晶体管的耐压一般在100V、脉冲功率一般在100W左右，耐压不足。采用小功率晶体管的恒流方案适用于小功率场合，无法测试100V以上的电源，用于大功率条件下时，一方面可靠性得不到很好的保证。另一方面高压环境需要多个MOSFET串联，控制就变的异常复杂，要达到10KW以上的脉冲功率更是需要使用100个以上的晶体管并联得到，由此也带来的严重的控制和维护负担。

发明内容

鉴于上述问题，本申请提出了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路。

本发明所采用的技术方案为：一种基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，包括：依次连接的单片机、控制电路、IGBT驱动电路、IGBT以及反馈电路；所述单片机接收外部设定的电流脉冲参数，向控制电路输出控制信号，控制电路对所述控制信号经过数据处理后输出参考电平，反馈电路采样IGBT输出的电流脉冲转换为反馈电平与参考电平一起驱动IGBT驱动电路工作，IGBT驱动电路驱动IGBT输出所需的电流脉冲；所述IGBT门极与IGBT驱动电路连接，IGBT集电极与测试电源连接，IGBT发射极与反馈电路连接。

本申请中，采用IGBT作为电子负载，IGBT有着较高的功率处理能力，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，单体 IGBT 便可以处理较大功率，不需要多路并联，简单可靠，散热面积大，散热设计简单易行，解决了小功率晶体管并联耐压较小，控制和维护困难的问题。通过控制电路、IGBT驱动电路以及反馈电路的相互配合，能够准确检测出IGBT的输出电压，精确调整IGBT输出电流，使得IBGT的输出电流脉冲满足设计需求，操作方便且适用性好。

作为优选，所述控制电路包括数模转换单元、数字开关以及电平调节单元；所述单片机输出两路控制信号，第一路控制信号输入数模转换单元，所述数模转换单元将单片机输出的第一控制信号转换为参考电平信号；第二路控制信号输入数字开关，用于控制数字开关的开通和关断；所述参考电平信号经过数字开关后，与来自所述反馈电路的反馈电平一起输入电平调节单元，电平调节单元输出端与IGBT驱动电路输入端连接，IGBT驱动电路输出端与IGBT门极连接。

本申请中，来自单片机的参考电平与来自IGBT的反馈电平一起输入电平调节单元，经电平调节单元后生成用于驱动IGBT驱动电路的电压信号，在IGBT的发射极和门极间形成一条负反馈电路，动态调整IGBT的输出电流。

作为优选，所述数字开关和电平调节单元之间设有电压跟随器。

本申请中，电压跟随器用于提高电路的带载能力，增大输入阻抗，减小输出阻抗，达到捕获数字开关公共端输出电压的效果。

作为优选，所述电平调节单元的输出端和反相输入端之间设置有补偿网络。

本申请中，大功率IGBT 门极电压的微小变化，便会导致流过漏源极的电流发生很大的变化，特别是工作于特定线性区的恒流，本申请考虑到实际电路中各种干扰源的存在会对IGBT驱动电路产生影响，继而影响IGBT的门极电压，在电平调节单元输出端和反相输入端之间添加补偿网络来提高电平调节单元的稳定裕度。

作为优选，所述电平调节单元后面还设有一加法器，用于给电平调节单元输出信号加上一个偏置电压再输出，其输出信号与IGBT驱动电路输入端连接。

本申请中，在参考电平上增加偏置电压有助于提高IGBT驱动电路的电流上升率。

作为优选，所述IGBT驱动电路包括MOS管和三极管，MOS管栅极作为IGBT驱动电路输入端，MOS管源极与三极管的基极、发射极连接，MOS管漏极与三极管的集电极连接；所述三极管发射极与IGBT门极连接。

作为优选，所述IGBT驱动电路由隔离电源供电，所述单片机和控制电路由供电电源供电。

本申请中，IGBT驱动电路与单片机、控制电路采用不同的供电电源，实现完全隔离。隔离电源的隔离电压可达到4000V DC，完全适用于测试高压电源。

作为优选，所述反馈电路包括依次连接的第一级放大器和第二级放大器，以及用于调节第二级放大器放大倍数的档位切换电路。

本申请中，使用两级放大电路解决了一级放大电路放大倍数和带宽不能同时满足需求的问题。

作为优选，所述档位切换电路通过调节第二级放大器反馈电阻的大小来调节第二级放大器的放大倍数。

本申请中，档位切换电路用于调节第二级放大器的放大倍数，以达到切换不同电流精度的效果。

作为优选，所述测试电源电压为0V-1500V；所述测试电源为直流电源或交流电源。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本申请恒流负载电路的电路框图；

图2为单片机信号光电隔离电路；

图3为控制电路框图（一）；

图4为控制电路框图（二）；

图5为控制电路框图（三）；

图6为图5的电路实现图；

图7为IGBT驱动电路图；

图8为隔离电源电路图；

图9为反馈电路框图；

图10为图9的电路实现图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开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公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，如图1所示，包括：依次连接的单片机100、控制电路200、IGBT驱动电路300、IGBT 400以及反馈电路500。单片机100接收外部设定的电流脉冲参数，向控制电路200输出控制信号，控制电路200输出参考电平，反馈电路500采样IGBT输出的电流脉冲转换为反馈电平，与参考电平一起驱动IGBT驱动电路300工作，控制IGBT输出所需的电流脉冲。

测试电源1300可以为直流电源或交流电源，也可以是太阳能电池或发电机等可以供电的电压源。IGBT 500作为电子负载，与测试电源的输出端相连，用于输出所需的电流脉冲。本实施例中，测试电源电压为0V-1500V，选用单管耐压3300V，脉冲功率10KW的IGBT，测试电源与IGBT集电极连接，IGBT的发射极与反馈电路500连接，IGBT的门极与IGBT驱动电路300连接。

如图2所示，单片机100与控制电路200之间设有光电隔离器。单片机100和控制电路200由供电电源1100供电，供电电源100包括连接至市电220VAC电源端的AC-DC变换器，输入电压为85-264VAC，输出电压为5-24VDC。单片机100选用STM32系列微处理器，STM32系列微处理器接口丰富，支持高性能、实时功能、数字信号处理，而且功耗低，可实现低功耗、低电压操作。

如图3所示，控制电路200包括数模转换单元210、数字开关220以及电平调节单元230。单片机100接收外部设定的电流脉冲参数，输出两路控制信号，第一路控制信号输入数模转换单元210；第二路控制信号输入数字开关220，用于控制数字开关220的开通和关断。数字开关220用于控制控制电路200的通断，参考电平信号经过数字开关220后，与来自反馈电路500的反馈电平一起输入电平调节单元230，电平调节单元230输出端与IGBT驱动电路300输入端连接，IGBT驱动电路300输出端与IGBT门极连接。

如图4所示，数字开关220和电平调节单元230之间设有电压跟随器2201,用以提高电路的带载能力。数模转换单元210将单片机100输出的第一控制信号转换为模拟量参考电平信号，参考电平信号经过数字开关220后，与来自反馈电路500的反馈电平一起输入电平调节单元230，电平调节单元230输出端与IGBT驱动电路300输入端连接。

如图5所示，电平调节单元230后面还设有一加法器2301，加法器2301用于给电平调节单元230输出信号加上一个偏置电压再输出，从而提高电流脉冲的上升率。

具体地，如图6所示，控制电路200包括：数模转换单元U10、数字开关U16以及电平调节单元U4。数模转换单元U10为16位DAC芯片，U10输入端与单片机连接，用于控制参考电平信号的高低。当电子负载需要工作时，单片机获取外部设定的电流脉冲，经过处理后将电流脉冲信号转化为数字量第一控制信号发送信号给U10，U10接收单片机发送的第一控制信号输出对应的模拟信号；当设定的电流脉冲需要结束时，U10接收单片机发送的第一控制信号输出0电平。数字开关U16的IN端与单片机连接，用于控制控制电路的开通和关断，U10输出端与数字开关U16的NO端连接。当设定的电流脉冲开始时，U16接收单片机100发送的第二控制信号切换开关到NO，使U10的参考电平顺利通过COM输出到U3，当设定的电流脉冲需要结束时，U16关闭开关使COM悬空，U3输入通过R7接地。U3 输入与U16 COM相连，用于跟随参考电平，增大输入阻抗，减小输出阻抗，达到捕获COM输出电压的效果。

电平调节单元U4的正相输入端与U3输出端连接，获取参考电平输入，反相输入端与反馈电路500的输出端连接，获取反馈电平，构成一条负反馈回路。当IGBT发射极输出的电流脉冲过大时U4输出的控制电压减小，当IGBT发射极输出的电流脉冲过小时U4输出的控制电压增大，从而达到输出电压输出跟随参考电平的效果。由于IGBT门极电压的微小变化，便会导致流过漏源极的电流发生很大的变化，特别是工作于特定线性区的恒流，而在实际电路中由于各种干扰源的存在，故需在驱动的反馈回路添加补偿网络来提高其稳定裕度。本实施例中，通过R6,C6,C7构成了信号缓冲电路（即补偿网络），用于减缓反馈电平输入，使控制电压保持稳定，不至于超调。

加法器U6用于给电平调节单元230输出信号加上一个偏置电压BIAS再输出，从而提高电流脉冲的上升率。电容C27,C28构成信号滤波电路，作用是减小加法器U6两个输入端之间的差模干扰，使系统保持稳定。加法器U6的输出信号MOS_CONTROL信号作用于IGBT驱动电路300。

如图7所示，IGBT驱动电路300包括MOS管Q3和三极管Q4，Q3栅极作为IGBT驱动电路300输入端，Q3源极与Q4基极、发射极连接，Q3漏极与Q4集电极连接；Q4发射极与IGBT门极连接。Q3 输入为MOS_CONTROL信号，当电子负载不工作时，MOS_CONTROL输出负电平，Q3不导通，Q3源极通过R20、R21接负电平。当电子负载工作时，MOS_CONTROL输出控制电平，Q3作为源极输出器，增大输入阻抗，减小输出阻抗，达到捕获MOS_CONTROL信号的效果。Q4 输入为Q3源极信号，当电子负载不工作时，Q3源极信号输出-8V电平，Q4不导通，IGBT栅极通过R22,R21接-8V。达到防止IGBT误导通的效果。当电子负载工作时，Q3源极输出控制电平，Q4作为射极输出器，放大Q3源极输出电流，达到快速驱动IGBT的效果。此外，该IGBT驱动电路300由隔离电源1200供电，具有零基极电流误差的优点，当MOS管Q3流过一定的电流后，三极管Q4开始导通，MOS管Q3只需流过很小的基极驱动电流，便可以产生较大的负载电流，实现IGBT驱动电路功率放大，可以很容易驱动具有较大栅射极寄生电容的大功率 IGBT。同时，IGBT驱动电路与单片机通过隔离电源完全隔离，隔离电源隔离电压达到4000V DC，完全适用于测试高压电源。隔离电源如图8所示。

如图9、10所示，反馈电路500包括依次连接的分流器、第一级放大器U7和第二级放大器U14，以及用于调节第二级放大器放大倍数的档位切换电路U15。分流器用于采集IGBT发射极输出的电流并将其转化为电压信号，第一级放大器U7 的正相输入端、反相输入端分别与分流器的两端相连，组成一个差分放大电路，用于放大分流器输出的电压信号，差分放大电路达到了抑制共模干扰的效果。电容C19两端与U7的正负输入端连接，用于滤除输入端差模干扰。U14输入信号与U7输出端相连，用于放大U7输出电压。使用两级放大电路解决了一级放大电路放大倍数和带宽不能同时满足需求的问题。电容C43,C44构成信号滤波电路，用于减小输入端差模干扰，使反馈电路500保持稳定。电阻R43用于减小运放输出电流，使CURRENT_FEEDBACK信号电压减小，减缓U4反相输入端反馈电压上升的速度，使输出至IGBT驱动电路300的电压信号保持稳定。

档位切换电路U15用于调节U14的放大倍数，达到切换不同电流精度的效果。电子负载IGBT由DAC芯片提供参考电平时，精度一般是12位或者是16位。以12位数模转换器DAC举例，如果DAC最高输出5V,12位是0-4095，如果此时反馈电路500的放大倍数是10倍，经过分流器采样的电流0-2000A线性对应0-5V。那么此时的控制精度就是2000A/4096=0.48828125A。如果档位切换电路U15调节第二放大器的放大倍数，使得反馈电路500的放大倍数达到100倍，虽然最大控制电流缩小到2000A/(100/10)=200A，但是控制精度放大到200A/4096=0.048828125A，控制精度更高，经过放大之后的反馈电压也使对于IGBT驱动电路300的控制更加可靠。档位切换电路U15的控制端SEL与单片机100连接，单片机100根据控制精度的需要，控制档位切换电路U15选择电阻R44还是R45投入工作，电阻R44和R45的阻值与所需调节的第二放大器的放大倍数相匹配。档位切换电路U15可采用型号为TMUX6119DCNR的模拟开关实现。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，其特征在于，包括：依次连接的单片机、控制电路、IGBT驱动电路、IGBT以及反馈电路；

所述单片机接收外部设定的电流脉冲参数，向控制电路输出控制信号，控制电路对所述控制信号经过数据处理后输出参考电平，反馈电路采样IGBT输出的电流脉冲转换为反馈电平与所述参考电平一起驱动IGBT驱动电路工作，IGBT驱动电路驱动IGBT输出所需的电流脉冲；

所述IGBT门极与IGBT驱动电路连接，IGBT集电极与测试电源连接，IGBT发射极与反馈电路连接。

2.根据权利要求1所述的基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，其特征在于，所述控制电路包括数模转换单元、数字开关以及电平调节单元；

所述单片机输出两路控制信号，第一路控制信号输入数模转换单元，数模转换单元将单片机输出的第一控制信号转换为参考电平信号；第二路控制信号输入数字开关，用于控制数字开关的开通和关断；

所述参考电平信号经过数字开关后，与来自所述反馈电路的反馈电平一起输入电平调节单元，电平调节单元输出端与IGBT驱动电路输入端连接，IGBT驱动电路输出端与IGBT门极连接。

3.根据权利要求2所述的基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，其特征在于，所述数字开关和电平调节单元之间设有电压跟随器。

4.根据权利要求2所述的基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，其特征在于，所述电平调节单元的输出端和反相输入端之间设置有补偿网络。

5.根据权利要求2所述的基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，其特征在于，所述电平调节单元后面还设有一加法器，用于给电平调节单元输出信号加上一个偏置电压再输出，加法器的输出信号与IGBT驱动电路输入端连接。

6.根据权利要求5所述的基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，其特征在于，所述IGBT驱动电路包括MOS管和三极管，MOS管栅极作为IGBT驱动电路输入端，MOS管源极与三极管的基极、发射极连接，MOS管漏极与三极管的集电极连接；所述三极管发射极与IGBT门极连接。

7.根据权利要求1或2或5或6所述的基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，其特征在于，所述IGBT驱动电路由隔离电源供电，所述单片机和控制电路由供电电源供电。

8.根据权利要求1或2所述的基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，其特征在于，所述反馈电路包括依次连接的第一级放大器和第二级放大器，以及用于调节第二级放大器放大倍数的档位切换电路。

9.根据权利要求8所述的基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，其特征在于，所述档位切换电路通过调节第二级放大器反馈电阻的大小来调节第二级放大器的放大倍数。

10.根据权利要求1所述的基于IGBT的大功率脉冲型恒流负载电路，其特征在于，所述测试电源电压为0V-1500V；所述测试电源为直流电源或交流电源。

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