CN116707272A - 一种在恒流回路中切换电压源的控制方法 - Google Patents

一种在恒流回路中切换电压源的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电子开关切换技术领域，涉及一种在恒流回路中切换电压源的控制方法，包括：将MCU、分别与MCU通过电气连接的恒流源、连接线等效电感和切换模块构成恒流回路，切换模块包括通过电气连接的防反接部件、切换开关和待切换的电压源；获取切换需求，切换需求包括将待切换的电压源切入主回路中或者将待切换的电压源切出主回路；根据切换需求，当切换需求为待切换的电压源切入主回路中时，防反接部件导通，切换开关关断，当切换需求为待切换的电压源切出主回路时，防反接部件反向截止，切换开关导通。能实现在电流源回路中切入或者切出电压源电流波动小的性能指标，能拓展电流源的输出电压范围，即实现宽输出电压范围的恒流源系统。

Description

一种在恒流回路中切换电压源的控制方法
技术领域
本发明涉及电子开关技术领域，更具体地说，涉及一种在恒流回路中切换电压源的控制方法。
背景技术
恒流回路指的是具有恒定电流输出的电路。例如恒流电源供电时，无论负载如何变化，它的输出电流也不会随着负载的变化而变化。恒流源是输出电流保持恒定的电流源，而理想的恒流源应该具有以下特点：不因负载(输出电压)变化而改变；不因环境温度变化而改变；内阻为无限小(以使其电流可以全部流出到外面)；能够提供恒定电流的电路即为恒流源电路，又称为电流反射镜电路。
现有的可调恒流恒压电源系统中，通常通过切入或者切出电压源来提高电流源的输出电压范围，但在旁路切换过程中是不希望恒流源的电流发生大的波动，目前已有切换方式在旁路切换过程中，都会产生较大的电流波动，不能很好地满足高电流精度的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于目前已有切换方式在旁路切换过程中，都会产生较大的电流波动，不能很好地满足高电流精度的要求，针对现有技术的上述的缺陷，提供一种在恒流回路中切换电压源的控制方法，包括：
将MCU、分别与所述MCU通过电气连接的恒流源、连接线等效电感和切换模块构成恒流回路，所述切换模块包括通过电气连接的防反接部件、切换开关、切换开关驱动电路和待切换的电压源；
获取切换需求，所述切换需求包括将所述待切换的电压源切入主回路中或者将所述待切换的电压源切出主回路；
根据所述切换需求，当所述切换需求为所述待切换的电压源切入主回路中时，所述防反接部件导通，所述切换开关关断，当所述切换需求为所述待切换的电压源切出主回路时，所述防反接部件反向截止，所述切换开关导通。
优选地，所述防反接部件包括二极管D1。
优选地，所述切换开关包括MOSFET管Q1。
优选地，所述恒流源用于在恒流回路中提供一个恒定的电流。
优选地，所述MCU为微处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列、复杂可编程逻辑器件中的任何一种。
优选地，所述MOSFET管Q1包括MOSFET管Q2和MOSFET管Q3并联连接。
优选地，所述MOSFET管Q2包括：一个或多个MOSFET管并联连接。
优选地，所述MOSFET管Q3包括：一个或多个MOSFET管并联连接。
优选地，所述恒流源包括开关电源。
优选地，所述连接线等效电感为连接线的寄生电感、独立的电感器及磁路耦合电感中的任何一种。
实施本发明的在恒流回路中切换电压源的控制方法，具有以下有益效果：能够实现在电流源回路中切入或者切出电压源时电流波动小的性能指标，实验电路数据表明在100A的恒流源回路中切换恒压源时候电流波动率小于2％，能够很好的解决通过切入或者切出一个或者多个恒压源，来拓展电流源的输出电压范围，即实现宽输出电压范围的恒流源系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明在恒流回路中切换电压源的控制方法流程图；
图2是本发明在恒流回路中切换电压源的控制方法中使用的一优选实施例电路图；
图3是本发明在恒流回路中切换电压源的控制方法中使用的另一优选实施例电路图；
图4是图3中的占空比示意图；
图5是图2中电流产生突变的示意图；
图6是图3中电流产生突变的示意图；
图7是图3中开关切换波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1，为本发明在恒流回路中切换电压源的控制方法流程图。如图1所示，在本发明一实施例提供的在恒流回路中切换电压源的控制方法中，包括步骤：
S1、将MCU、分别与MCU通过电气连接的恒流源、连接线等效电感和切换模块构成恒流回路，切换模块包括通过电气连接的防反接部件、切换开关和待切换的电压源。
S2、获取切换需求，切换需求包括将待切换的电压源切入主回路中或者将待切换的电压源切出主回路。
切换需求由上位机发给MCU。上位机是一个计算机系统的术语，指的是控制系统中相对于下位机的那个计算机。在控制系统中通常存在两个层次的控制系统，即上位机和下位机。下位机是指负责运行和控制现场实际设备的控制器和执行单元，而上位机通过与下位机通信来控制和监测下位机的运行状态，并收集、存储、处理和分析下位机的数据。上位机一般用于工业自动化、数据采集和控制系统等领域。
S3、根据切换需求，当切换需求为待切换的电压源切入主回路中时，防反接部件导通，切换开关关断，当切换需求为待切换的电压源切出主回路时，防反接部件反向截止，切换开关导通。
图2是本发明在恒流回路中切换电压源的控制方法中使用的一优选实施例电路图。如图2所示，一种在恒流回路中切换电压源的控制电路，包括MCU，分别与MCU通过电气连接的恒流源I1、连接线等效电感L1和切换模块，切换模块包括通过电气连接的防反接部件二极管D1、切换开关MOSFET管Q1和待切换的电压源V1。其中，MCU用于接收上位机的切换指令并发出切换控制信号给开关MOSFET管驱动电路，驱动电路用于放大MCU的控制信号，恒流源用于在电路回路中提供一个恒定的电流，连接线等效电感用于在开关MOSTFET管切换时，限制电流因开关MOSFET管二端电压变化引起的电流变化率，切换模块用于执行MCU发出的切换动作。
具体实施时，MCU可以包括但是不限于为微处理器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)及复杂可编程逻辑器件(CPLD)中的任何一种。恒流源20可以但是不限于为使用恒流控制方式的开关电源，等效连接电感30可以但是不限于为连接线的寄生电感、一个独立的电感器及磁路耦合电感中的任何一种。
二极管D1可以防止电压源在切换时被短路。二极管D1、MOSFET管Q1和电压源V1组成了一个切换模块。当电压源V1在主回路中时，二极管D1导通，MOSFET管Q1关断。当电压源V1需要退出回路时，此时MOSFET管Q1导通，二极管D1反向截止。使用驱动信号变占空比的控制方式包括驱动信号占空比以固定时间和固定步进变化的方式从0％变至100％或从100％变至0％，可以实现开关MOSFET管Q1两端的平均电压随占空比正相关的变化，能够较好地实现开关状态切换时电流波动较小性能要求。
具体实施时，二极管D1可以包括但是不限于为硅基二极管、碳化硅二极管、MOSFET的寄生二极管及IGBT的寄生二极管中的任何一种。MOSFET管Q1可以包括但是不限于为金属氧化物场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、碳化硅场效应管(SiC MOSFET)及氮化镓管(GaN)中的任何一种。电压源V1电源可以为电压控制模式的开关电源或者各种类型的电池。
图3是本发明在恒流回路中切换电压源的控制方法中使用的另一优选实施例电路图。如图3所示，MOSFET管Q2和MOSFET管Q3两个开关管并联替代组成了如图2中所示的切换开关管Q1。当电压源需要在主回路中时，MOSFET管Q2和MOSFET管Q3关断。图3中，驱动电路DR3和DR4可以包括但是不限于为驱动芯片或驱动变压器，用于提供驱动电平，将切换控制信号放大驱动Mosfet Q2和Q3开通和关断。
具体实施时，MOSFET管Q2可以包括但是不限于为金属氧化物场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、碳化硅场效应管(SiC MOSFET)及氮化镓管(GaN)中的任何一种。MOSFET管Q3可以包括但是不限于为金属氧化物场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、碳化硅场效应管(SiC MOSFET)及氮化镓管(GaN)中的任何一种。图4是图3中的占空比示意图。如图4所示，当需要将恒压源V1切出回路时，MOSFET管Q2和MOSFET管Q3错相180度开通，占空比从0％逐渐增大到100％，此时MOSFET管Q2和MOSFET管Q3并联后，实际100％导通发生在图4的T5时刻，即MOSFET管Q2、MOSFET管Q3的50％占空比时刻。
图2所示的本发明在恒流回路中切换电压源的控制方法中使用的一优选实施例电路，在占空比接近100％时可能会出现驱动信号关断无法拉低的现象，会导致开关管的平均电压产生一个阶越，从而导致电流产生一个突变，如图5所示，图5是图2中电流产生突变的示意图。图6是图3中电流产生突变的示意图，如图6所示，采用本实施例后，因为MOSFET管Q2和MOSFET管Q3并联后的实际100％导通发生在各自50％占空比时刻，不会出现因驱动信号关断时间太短而无法实际关断的现象。从而避免图5所描述的因为电压阶越产生的电流突变，开关切换波型见图7所示，图7是图3中开关切换波形图。如图7所示，能够实现在电流源回路中切入或者切出电压源电流波动小的性能指标，实验电路数据表明在100A的恒流源回路中切换恒压源时候电流波动率小于2％。图7中横坐标代表时间轴，纵坐标代表幅度值，纵坐标表示CH4的电流波动幅值。图7说明了在电流源回路中电压源切入电流源回路和切出电流源回路时，电流源的波动值小于2A。
表1实验中示波器测量数据
测量项 最大值(C4) 最小值(C4) 峰峰值(C4)
当前值 1.6471A -1.7255A 3.3725A
由表1可知，C4电流最大值和最小值，可以表明电压源切换时，电流源回路中的电流波动情况。
实施本实施例，能够实现在电流源回路中切入或者切出电压源电流波动小的性能指标，实验电路数据表明在100A的恒流源回路中切换恒压源时候电流波动率小于2％，能够很好的解决通过切入或者切出一个或者多个恒压源，来拓展电流源的输出电压范围，即实现宽输出电压范围的恒流源系统。
本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (10)

1.一种在恒流回路中切换电压源的控制方法，其特征在于，包括：
将MCU、分别与所述MCU通过电气连接的恒流源、连接线等效电感和切换模块构成恒流回路，所述切换模块包括通过电气连接的防反接部件、切换开关和待切换的电压源；
获取切换需求，所述切换需求包括将所述待切换的电压源切入主回路中或者将所述待切换的电压源切出主回路；
根据所述切换需求，当所述切换需求为所述待切换的电压源切入主回路中时，所述防反接部件导通，所述切换开关关断，当所述切换需求为所述待切换的电压源切出主回路时，所述防反接部件反向截止，所述切换开关导通。
2.根据权利要求1所述的在恒流回路中切换电压源的控制方法，其特征在于，所述防反接部件包括二极管D1。
3.根据权利要求1所述的在恒流回路中切换电压源的控制方法，其特征在于，所述切换开关包括MOSFET管Q1。
4.根据权利要求1所述的在恒流回路中切换电压源的控制方法，其特征在于，所述恒流源用于在恒流回路中提供一个恒定的电流。
5.根据权利要求1所述的在恒流回路中切换电压源的控制方法，其特征在于，所述MCU为微处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列、复杂可编程逻辑器件中的任何一种。
6.根据权利要求3所述的在恒流回路中切换电压源的控制方法，其特征在于，所述MOSFET管Q1包括MOSFET管Q2和MOSFET管Q3并联连接。
7.根据权利要求6所述的在恒流回路中切换电压源的控制方法，其特征在于，所述MOSFET管Q2包括：一个或多个MOSFET管并联连接。
8.根据权利要求6所述的在恒流回路中切换电压源的控制方法，其特征在于，所述MOSFET管Q3包括：一个或多个MOSFET管并联连接。
9.根据权利要求4所述的在恒流回路中切换电压源的控制方法，所述恒流源包括开关电源。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的在恒流回路中切换电压源的控制方法，所述连接线等效电感为连接线的寄生电感、独立的电感器及磁路耦合电感中的任何一种。
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