CN115389797B - 用于航天器直流负载输入阻抗测量的交直流叠加电压源 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种交直流叠加电压源，包括：交流扰动信号模块，用于生成交流扰动信号；运算放大器模块，具有第一输入端、第二输入端、输出端；MOS管模块，包括一个MOS管或并联的多个MOS管；直流电源，用于提供直流电压；分压电阻模块。MOS管模块与分压电阻模块串联在直流电源的正负极之间，MOS管模块的源极连接到直流电源的正极，MOS管模块的漏极连接到分压电阻模块，运算放大器模块的输出端连接到MOS管模块的栅极，用于驱动MOS管模块，MOS管模块的漏极连接到运算放大器模块的第二输入端，MOS管模块和运算放大器模块构成负反馈回路，交流扰动信号模块生成的交流扰动信号被输入到运算放大器模块，经运算放大器放大后输入到MOS管模块的栅极。

Description

用于航天器直流负载输入阻抗测量的交直流叠加电压源

技术领域

本申请整体上涉及一种用于航天器直流负载输入阻抗测量系统的交直流叠加电压源。

背景技术

在航天器等直流电源-负载系统中，为了测试系统的稳定性，需确保电源-负载系统稳定运行，进一步则需要测量负载的输入阻抗值，此阻抗值是一个交流复阻抗值。为了测量负载在运行工况(输入电压、输入电流)下的输入阻抗，需要一种叠加了交流电压信号的直流大功率电源。

电子科技大学王胜利等人基于添加变压器的思想，研究了在油纸绝缘测试系统中应用的交直流叠加电源，设计了通过隔离叠加电路，实现了由单独控制的直流源直流电压与对称方波相叠加的电路；中国电力科学研究院李博等人设计了在高电压与绝缘应用环境中的一种交流叠加直流的合成电压实验电源；中车青岛四方股份有限公司杨盼奎等人设计了用于牵引变流器逆变模块电容局部放电测试平台的交直流叠加电源，交流电和直流电并接于分压器，得到交直流叠加电源；智能计算与信息处理教育部重点实验室的彭寒梅等人研究了在高压输电环境中的交直流叠加输电系统，基于Zigzag(曲折接线)变压器的理论特性和避免磁饱和机理，设计了采用Zigzag(曲折接线)变压器的交直流叠加输电系统。

综合分析，以上研究都是采用变压器耦合方式进行扰动电压注入(如图1所示)，此种方法用于本实施案例时的主要问题在于：由于变压器两级之间的电压、电流值的量级差异太大，当交流扰动信号很小时，交流扰动注入信号难以驱动耦合变压器在大功率直流电压端产生交流耦合信号；而当大功率直流电压信号的电流值很大时，则会引起耦合变压器的磁芯饱和。

发明内容

为了测量航天器等直流电源-负载在运行工况(输入电压、输入电流)下的输入阻抗，需要一种叠加了交流电压信号的直流大功率电源，其功能和技术要求包括：

1、直流稳压电压输出为2.5V～30V连续可调，直流电流输出为0A～10A；

2、在扰动注入端无信号时，要求线性稳压电源的输出无纹波、无震荡；

3、在扰动注入端有信号时，要求在线性稳压电源的输出能叠加上与扰动信号频率相等的交流扰动电压信号，频率范围为20Hz～100kHz，交流扰动电压范围为10mV～1V。

为了达到该功能和技术指标，需要提供一种交直流叠加电压源，其能够将对直流电压负载输入阻抗测量的交流扰动信号施加到可调的大功率直流电源上。

本申请提供了一种航天器直流电源交流扰动信号注入方法，提出了一种直流母线扰动注入方案，针对航天器对测量过程中必须保证被测设备的安全、可靠这一基本要求，根据直流电源扰动信号注入频率以及电压输出幅值范围等条件因素，提出了一种直流稳压系统的交流扰动注入方法，设计了一种施加宽频交流电压于可调大功率直流电压的装置。

本申请提供了一种交直流叠加电压源，包括：

交流扰动信号模块，用于生成交流扰动信号；

运算放大器模块，具有第一输入端、第二输入端、输出端；

MOS管模块，包括一个MOS管或并联的多个MOS管；

直流电源，用于提供直流电压；

分压电阻模块，包括阻值可调的变阻器，

其中，MOS管模块与分压电阻模块串联在直流电源的正负极之间，MOS管模块的源极连接到直流电源的正极，MOS管模块的漏极连接到分压电阻模块，分压电阻模块的两端用于向负载输出交直流电压，

运算放大器模块的输出端连接到MOS管模块的栅极，用于驱动MOS管模块，MOS管模块的漏极连接到运算放大器模块的第二输入端，MOS管模块和运算放大器模块构成负反馈回路，

交流扰动信号模块生成的交流扰动信号被输入到运算放大器模块，经运算放大器放大后，输入到MOS管模块的栅极。

根据本申请的一个实施例，其中，交流扰动信号模块包括交流电源和信号耦合装置。

根据本申请的一个实施例，其中，所述信号耦合装置为变压器绕组。

根据本申请的一个实施例，其中，根据分压电阻模块的比例值来设置所要稳定的交直流电压值。

根据本申请的一个实施例，其中，运算放大器模块的运放地与直流电源的电源地共地。

根据本申请的一个实施例，其中，分压电阻模块包括串联的第一电阻和第二电阻。

根据本申请的一个实施例，其中，运算放大器模块的运放地浮接在第一电阻和第二电阻之间。

根据本申请的一个实施例，其中，所述第一电阻并联有第一相位补偿电容，所述运算放大器模块的输出端与第二输入端之间设置有第二相位补偿电容。

根据本申请的一个实施例，其中，交流扰动信号模块与运放地之间设置有二极管。

根据本申请的一个实施例，其中，MOS管模块中的任一MOS管的结电容不大于300pF。

本申请提供的用于航天器直流负载输入阻抗测量的交直流叠加电压源能够实现以下技术效果：

1、直流稳压电压和直流电流的输出大范围内连续可调；

2、在扰动注入端无信号时，线性稳压电源的输出无纹波、无震荡；

3、在扰动注入端有信号时，在线性稳压电源的输出能叠加上与扰动信号频率相等的交流扰动电压信号，频率范围为20Hz～100kHz，交流扰动电压范围为10mV～1V。

4、能够保证被测设备的安全、可靠。

附图说明

下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本申请上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。以下附图仅旨在于对本申请做示意性说明和解释，并不限定本申请的范围。其中：

图1示出了现有技术中变压器耦合方式进行扰动电压注入的方案。

图2示出了本申请提出的交直流叠加电压源的功能示意图。

图3示出了根据本申请的一个实施例的交直流叠加电压源的原理图。

图4示出了交直流叠加电压源的一个实施例的具体电路图。

图5示出了又一实施例的交直流叠加电压源的具体电路图。

图6示出了另一实施例的交直流叠加电压源的具体电路图。

图7示出了多个MOS管的均流均热设计。

具体实施方式

为了对本申请的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本申请的具体实施方式。

本申请提出了一种用于航天器直流负载输入阻抗测量的交直流叠加电压源，其作用是将开展航天器直流电压负载输入阻抗测量的交流扰动信号施加到可调的大功率直流电压源上。

图2是根据本申请的一个实施例的交直流叠加电压源的功能示意图。本申请提供的交直流叠加电压源的ab输入端加载的是大功率直流电压信号，该信号可由外部直流稳压电源提供。交直流叠加电压源的cd输入端加载的是宽频交流电压信号，该信号可由外部扫频交流信号源提供。交直流叠加电压源的ef输出端输出的是经该交直流叠加电压源产生的交直流电压信号，该信号是施加了交流电压信号的大功率直流电压信号，该信号用于为待测的航天器直流电压负载提供测试信号。

本申请提供的交直流叠加电压源能够将宽频交流电压施加于可调大功率直流电压，能够与电压信号调整单元和测量单元配合，共同组成航天器直流负载输入阻抗测量系统。

根据本申请的交直流叠加电压源提供了一种将交流电压信号注入直流电压信号的方案，通过搭配不同的交流电压信号源，能够组成不同的检测用交直流叠加电压源，可以应用在锂电池内阻测量、铅酸电池内阻测量等不同种类的蓄电池内阻测量中，对电池生产规范化具有重要意义。

本申请提供的交直流叠加电压源还可推广应用到金属电解精炼等交直流电源装置研制、直流电网配电扰动检测设备研制、电缆绝缘监测设备研制、叠加电流传感器研制、乳化液电脱水试验系统研制，油纸绝缘测试系统研制、动车组牵引变流器支撑电容寿命评估系统研制、硅橡胶电树枝特性研究等多种设备装备研制，涵盖航天、航空、铁路、电子、电力、冶金、材料等各个领域。

下文中，将参照附图对根据本申请的实施例提供的交直流叠加电压源进行进一步的详细描述。

图3示出了根据本申请的一个实施例的交直流叠加电压源的原理图。该交直流叠加电压源基于串联注入电压扰动原理，将交流电压施加于可调大功率直流电压，从而给航天器直流母线注入交流电压扰动信号。

本实施例的交直流叠加电压源以大功率MOS管作为电压调整管，将该MOS管和运算放大器构成负反馈回路，通过MOS管的闭环控制回路，在运算放大器的反馈输入端叠加入一个正弦扰动电压，经运算放大器输出后，对该MOS管的输出端电压进行调节，从而施加宽频交流电压于可调大功率直流电压，用于对航天器直流负载的输入阻抗测试。考虑到直流大功率电压输出的大电流要求，在其他实施例中，也可以采用多个大功率MOS管并联输出的方式。

如图3所示，本实施例的交直流叠加电压源包括：扰动信号源(如标准交流电源)、直流电源、变压器绕组(在该实施例中具体为10:1线圈)、MOS管、运算放大器、量程选择模块(例如由分压电阻网络构成)。MOS管作为电压调整管用于调整直流电源的电压，并在MOS管的输出端将调整后的电压施加到负载。运算放大器用于驱动MOS管，MOS管和运算放大器构成负反馈回路。标准交流电源输出的交流扰动信号通过10:1线圈被输入到运算放大器，经运算放大器放大后输入MOS管，以对该MOS管的输出端电压进行调节，形成交直流电压。通过量程选择模块，将交直流电压施加在负载两端。

图4示出了本实施例的交直流叠加电压源的具体电路图。如图4所示，本实施例提供的交直流叠加电压源包括：

交流扰动信号模块1，包括交流电源和10:1线圈，用于生成交流扰动信号，其中10:1线圈用于将交流电源产生的信号耦合到下级电路，同时可以起到良好的隔离作用；

运算放大器模块2，具有第一输入端(+)、第二输入端(-)、输出端6；

MOS管模块3，作为电压调整模块，包括并联的两个大功率MOS管；

直流稳压电源，用于提供直流电压Vpp⁺-Vpp^-；

分压电阻模块4，包括第一电阻R5和第二电阻R6，第二电阻R6为阻值可调的滑动变阻器。

其中，MOS管模块3与分压电阻模块4串联在直流稳压电源的正负极之间，MOS管模块3的源极连接到直流稳压电源的正极，MOS管模块3的漏极连接到分压电阻模块4。分压电阻模块4与负载并联，通过调节第二电阻R6阻值，可改变施加到负载上的分压，从而调节施加到负载的电压值。

运算放大器模块2的输出端6连接到MOS管模块3的栅极，用于驱动MOS管模块3。MOS管模块3的漏极连接到运算放大器模块2的第二输入端，MOS管模块3和运算放大器模块2构成负反馈回路。

交流扰动信号模块1生成的交流扰动信号被输入到运算放大器模块2，经运算放大器放大后，输入MOS管模块3的栅极，从而将交流扰动信号叠加在MOS管模块2输出的直流电压上，从而形成施加到负载上的交直流电压。

本实施例体用的交直流叠加电压源中，采用串联注入电压扰动的方式，构成了反馈调整型直流稳压电源电路。直流电压信号与交流扰动信号经过并联MOS管后输出返回到运算放大器，联合构成负反馈回路。根据分压电阻模块4的比例值来设置系统输出所要稳定的交直流电压值。

图5示出了根据本申请的又一实施例的交直流叠加电压源的具体电路图，采用了线性恒压源基准扰动注入方案。在该实施例中，运放地与直流电源的电源地GND采用共地电路设计。

然而，为了测量航天器等直流电源-负载在运行工况(输入电压、输入电流)下的输入阻抗，电路的电压输出幅值需要达到30V连续可调，运放地与电源地采用共地电路设计，受制于反馈运算放大器的工作电压(一般为±12V或单电源24V)，Vo输出值不能满足电压输出幅值达到30V的电压要求。

为了解决该问题，本申请的另一个实施例提供了一种如图6所示的交直流叠加电压源，其采用了浮地电路设计。如图6所示，该交直流叠加电压源具有以下技术改进：

1)将运放地浮接在直流稳压电源的分压电阻网络节点处，即串联构成分压电阻网络的第一电阻R15和第二电阻R16之间；

2)在交流扰动信号模块1与运放地之间设置二极管D1，以保证运算放大器的输入基准维持在2.5V，确保其正常稳定的工作状态；

3)在分压网络的第一电阻R15处并联电容C23。保证了电路的稳定工作，抑制了自激振荡，实现了电路输出电压幅值自主可调，同时达到了100V的设计要求。

由于电路设计采用了运算放大器与MOS管组成的负反馈系统，信号的相位移动会使负反馈电路工作不稳定，易激发自激振荡；同时MOS管内部结构中结电容的电容值太高，也会激发电路的自激振荡。

为了对电路中的自激振荡、工频干扰进行抑制，本实施例的交直流叠加电压源还采取了以下技术改进：

1)在运放的负反馈环路中增加相位补偿电容，如图6中的C3、C23；

2)使用带容性负载能力强的运放作为电路的运算放大器；

3)选用结电容Cgs小于等于300pF的MOS管；

4)在运放的输出(6脚)和MOS的输入(栅极)之间串接阻值为10Ω～100Ω的取样电阻R14。

通过采取以上技术改进，能够有效抑制电路内的自激振荡和工频干扰，确保了电路正常稳定工作。

根据技术要求，要使扰动注入单元的直流输出电流达到10A，保证系统有足够的输出功率，单只MOS管的额定电流为2A，过高的电流及压降会在电路上产生较高功率，而且会引发严重的散热和安全问题，因此本设计采用了8只MOS并联的设计。设计中要解决多只MOS管并联时工作电流、发热不均的问题。本发明采取了以下方案：

1)设计8只MOS管并联电路；

2)每只MOS管的源极均串接一只均流电阻，电阻阻值可调，根据电流是否保持均流状态进行调节；

3)8只MOS管安装在同一块散热器上，均匀分布放置，使各只MOS管的温度场分布均匀，如图7所示。

保证每只MOS管均工作在线性的可变电阻区，确保每只MOS管通过电流的一致性，实现每只MOS管的均热设计，达到了MOS管输出端直流电流10A的设计要求。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，并非用以限定本申请的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本申请的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本申请保护的范围。

Claims (6)

1.一种交直流叠加电压源，包括：

交流扰动信号模块，用于生成交流扰动信号；

运算放大器模块，具有第一输入端、第二输入端、输出端；

MOS管模块，包括一个MOS管或并联的多个MOS管，任一MOS管的源极均串接一只阻值可调的均流电阻；

直流电源，用于提供直流电压；

分压电阻模块，包括阻值可调的变阻器，

其中，MOS管模块与分压电阻模块串联在直流电源的正负极之间，MOS管模块的源极连接到直流电源的正极，MOS管模块的漏极连接到分压电阻模块，分压电阻模块的两端用于向负载输出交直流电压，

运算放大器模块的输出端连接到MOS管模块的栅极，用于驱动MOS管模块，MOS管模块的漏极连接到运算放大器模块的第二输入端，MOS管模块和运算放大器模块构成负反馈回路，

交流扰动信号模块生成的交流扰动信号被输入到运算放大器模块，经运算放大器放大后，输入到MOS管模块的栅极；

分压电阻模块包括串联的第一电阻和第二电阻；

运算放大器模块的运放地浮接在第一电阻和第二电阻之间；

交流扰动信号模块与运放地之间设置有稳压二极管。

2.根据权利要求1所述的交直流叠加电压源，其中，交流扰动信号模块包括交流电源和信号耦合装置。

3.根据权利要求2所述的交直流叠加电压源，其中，所述信号耦合装置为变压器绕组。

4.根据权利要求1所述的交直流叠加电压源，其中，根据分压电阻模块的比例值来设置所要稳定的交直流电压值。

5.根据权利要求1所述的交直流叠加电压源，其中，所述第一电阻并联有第一相位补偿电容，所述运算放大器模块的输出端与第二输入端之间设置有第二相位补偿电容。

6.根据权利要求1所述的交直流叠加电压源，其中，MOS管模块中的任一MOS管的结电容不大于300pF。