CN207965717U - 一种基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其包括功率放大模块和电压控制模块，功率放大模块包括输入级、输出级以及反馈模块，输出级包括第一电阻、与第一电阻串联的第一三极管、与第一三极管发射极连接的若干并联设置的阵列三极管，阵列三极管的基极与第一三极管发射极连接，阵列三极管的发射极与反馈模块连接，第一三极管的集电极和阵列三极管的共同集电极形成恒流驱动器的输出端连接负载，第一三极管的集电极与电压控制模块的输出端连接。本实用新型通过设置改进后的复合达林顿电路，并基于复合达林顿电路输出端的深度反馈模块，实现了稳定度高、精度高的大功率恒流驱动功能。

Description

一种基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器

【技术领域】

本实用新型涉及电力系统功率放大驱动技术领域，特别是涉及一种基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器。

【背景技术】

随着现代科技的发展，电子技术几乎成为各个生产生活领域不可或缺的部分。稳定电源作为各种电子电路中必不可少的驱动装置，被称为电子设备的心脏，其需求量也逐日增大。在项目研究、产品开发等科学实践中，关于稳定电源的研究与设计经常是需要攻克的关键技术之一。如果设计中使用达不到标准的电源，很可能会影响到整个科研项目的进程。恒流源和稳压源为稳定电源的两大分支。其中恒流源作为一种稳定的电源，在电源的研究领域中有着非常广阔的发展空间，例如在电子仪器、激光技术、现代通信技术、电光源技术、传感技术以及测量技术等诸多领域中都起着相当重要的作用。尽管随着微电子技术的高度发展，出现了许多小型化、集成化的高精度恒流源，但目前很少有性价比高的大功率恒流驱动器，实际应用中往往需要使用者根据需求自行设计实现。

在大功率恒流源广泛应用的各个领域中，尤其以电力系统设备中所需的恒流驱动器对性能指标要求最高。近年来，恒流驱动器的输出特性有了极大的改善，特别是随着连续输出功率的性能在逐步提高，使得大功率恒流驱动器的应用范围在逐渐扩大，主要应用于工业和电力领域等诸多方面。从大功率恒流驱动器的应用角度看，其质量和可靠性在应用系统中起着至关重要的作用，这就对恒流驱动器的性能提出了更高的要求。由于恒流驱动器的功率密度很大、量子效率很高，因此其受电流冲击的影响非常大。特别是对于大功率恒流驱动器，它的各个性能参数的变化，严重危及大功率恒流驱动器的使用安全。

【实用新型内容】

本实用新型的主要目的在于提供一种基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，可实现具有高稳定度的恒流输出。

本实用新型通过如下技术方案实现上述目的：一种基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其包括供电系统、与所述供电系统电气连接的功率放大模块和电压控制模块，所述功率放大模块包括由差分放大器构成的输入级、与所述输入级连接的且由功率晶体管阵列组成的输出级以及采集所述输出级电压电流信息反馈给所述输入级的反馈模块，所述输出级包括与所述差分放大器输出端连接的第一电阻、与所述第一电阻串联的第一三极管、与所述第一三极管发射极连接的若干并联设置的阵列三极管，所述阵列三极管的基极与所述第一三极管发射极连接，所述阵列三极管的发射极与所述反馈模块连接，所述第一三极管的集电极和所述阵列三极管的共同集电极形成恒流驱动器的输出端连接负载，所述电压控制模块的输出端与所述输入级连接。

进一步的，所述输入级为一个差分放大电路。

进一步的，在所述阵列三极管的基极上均设置有一分压电阻。

进一步的，所述阵列三极管的发射极端一一对应设置有分压电阻，且所述分压电阻的另一端接地设置。

进一步的，所述反馈模块包括与所述阵列三极管发射极一一对应连接的取样电阻阵列、与所述取样电阻阵列连接的运算放大器，所述运算放大器的输出端与所述输入级中所述差分放大器的正向输入端连接。

进一步的，还包括与所述供电系统和所述电压控制模块电气连接的人机交互模块。

进一步的，所述供电系统包括一端与市电连接的且另一端接地的第一电源和第二电源。

进一步的，所述电压控制模块包括基准电压源、限流电路和调节电路。

与现有技术相比，本实用新型一种基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器的有益效果在于：通过设置改进后的复合达林顿电路以及结合拓扑结构，并基于复合达林顿电路输出端的深度反馈模块，实现了稳定度高、精度高的大功率恒流驱动功能。

【附图说明】

图1为本实用新型实施例的结构原理示意图；

图2为本实用新型实施例中功率放大模块的结构原理示意图；

图3为本实用新型实施例中并联功率晶体管阵列的拓扑结构中一种均流电阻的设置位置示意图；

图4为本实用新型实施例中并联功率晶体管阵列的拓扑结构中另一种均流电阻的设置位置示意图；

图5为本实用新型实施例中电压控制模块的结构原理示意图。

【具体实施方式】

实施例：

请参照图1-图5，本实施例为基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其包括供电系统、与所述供电系统电气连接的功率放大模块和电压控制模块、以及与所述供电系统和所述电压控制模块电气连接的人机交互模块。

所述供电系统包括一端与市电连接的且另一端接地的第一电源VCC1和第二电源VCC2。

所述功率放大模块包括由差分放大器构成的输入级、与所述输入级连接的且由功率晶体管阵列组成的输出级以及采集所述输出级电压电流信息反馈给所述输入级的反馈模块。所述输入级为一个差分放大电路。所述输出级包括与所述差分放大电路输出端连接的第一电阻R8、与第一电阻R8连接的第一三极管TE、与第一三极管TE发射极连接的若干并联设置的阵列三极管T1、T2……Tn，所述阵列三极管的基极与所述第一三极管TE发射极连接，在一实施例中，在所述阵列三极管的基极上均设置有一分压电阻Rb1、Rb2……Rbn；在另一实施例中，所述阵列三极管的发射极端均设置有分压电阻Re1、Re2……Ren。所述阵列三极管的发射极与所述反馈模块连接，所述第一三极管TE的集电极和所述阵列三极管的共同集电极形成恒流驱动器的输出端连接负载。所述电压控制模块的输出端与所述输入级连接。所述反馈模块包括与所述阵列三极管发射极一一对应连接的取样电阻阵列Ra1、Ra2……Ran、与所述取样电阻阵列连接的运算放大器A5，所述运算放大器A5的输出端与所述输入级中所述差分放大电路的正向输入端连接，所述反馈模块还包括与所述阵列三极管发射极一一对应连接的反馈电阻Rs1、Rs2……Rsn，且所述反馈电阻Rs1、Rs2……Rsn的另一端接地设置。

本实施例中，所述阵列三极管数量为两个，对应的所述分压电阻和所述取样电阻阵列中的取样电阻数量均为两个。在其他实施例中，可以根据需求灵活设置其数量。

本实施例中所述输出级采用并联的三极管阵列构成新型的复合达林顿结构，其作用是实现大电流变换，以满足电流源电路的大电流输出；因为差分放大器的输出电阻很大，可以满足电压控制电流源的基本要求，输出级应选择具有高电流增益的驱动电路，用来提高电流源的性能。

为使大功率恒流驱动器实现大电流输出，电压控制电流源的功率放大模块的输出功率较高，这就要求前馈放大器的输出必须具有足够的驱动功率，即要为输出级提供足够的驱动电流和驱动电压。为解决这一问题，本设计中采用一种新颖的复合达林顿结构，实现大电流稳定输出，同时增大了反馈系统的开环增益，提高系统稳定性。

功率器件在功率放大模块中起着至关重要作用，是功率电子电路的基础。本实施例采用多个功率器件(即所述分压电阻与所述并联的三极管阵列)并联的电路拓扑结构，其优点在于增加了功率模块的冗余度，提升了电路的可靠性。然而，实际元器件在参数和特性上都不尽相同，并联的各功率器件往往也会承载不同的电流。当其中一个或者几个功率器件的工作电流超过其额定电流时，或者其功率损耗引起的温升使功率器件的发热和散热不平衡时，都容易将损坏功率器件或使电路失效，这就是电流集中效应。基于上述分析在构建功率晶体管并联电路时，为了避免电流集中效应，本实施例在每个所述阵列三极管的基极串联有电阻或在发射极串联有电阻另外，选取性能参数一致的器件(三极管和均流电阻)，比如选择同一型号并且同一批次的器件；并联功率晶体管的拓扑结构应尽量对称，可以使布线时的引线尽量短；选择导电性能好的材料，降低分流不均衡造成的影响；选择性能良好的散热器，搭建稳定可靠的散热系统，保证各个功率器件在相同的散热条件下工作，使各器件之间的温差尽量小，保持热平衡。

本实施例中的功率放大模块，通过设置反馈模块并结合运算放大器提高了放大电路输入端与输出端的稳定性；前馈放大器的输出级采用功率晶体管阵列形式，增加电流的放大增益倍数，实现了大电流输出，从而增大功率；其核心采用基于前馈放大电路、功率晶体管阵列形式的功率放大电路、取样电阻阵列以及反馈模块，形成了一个完整的深度负反馈型电压控制电流源，从而大大提高了对输出电流控制的灵敏度，进而实现高稳定度和高精确度的恒流输出。

所述电压控制模块包括基准电压源、限流电路和调节电路。基准电压源的功能是从一个稍欠稳定的电源中获得一个稳定的直流电压。基准电压源是整个系统稳定工作的参考，基准电压电路的性能决定着恒流驱动器的稳流性能。基准源芯片按结构分类可分为温度补偿型齐纳基准源、掩埋齐纳源和带隙式基准源。由于电子元器件的性能受温度影响很大，所以温度稳定性是电压基准性能要求中最严格的。衡量温度稳定性的参数为温度系数，用于度量在改变温度条件下电路维持预定输出电压的能力，本设计选用高性能带隙式基准源，并结合限流和调理电路，实现稳定的直流电压控制模块。

本实施例基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器的工作原理为：首先，在人机交互模块的界面中设定输出功率，图5的电压控制模块根据设定值，产生一个参考电压，电压控制模块输出的参考电压输入到功率放大模块的输入端(Vi)，参考电压与反馈电压(Vf)比较输出，进入输出级的第一三极管TE的集电极完成信号的首次放大，而后再经过阵列三级管T1和T2的再次放大，实现功率放大输出，输出电流经取样电阻阵列Ra1和Ra2、以及反馈电阻Rs1和Rs2进入反馈模块输出Vf至输入级，从而实现稳定的大功率恒流输出。

本实施例基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，对大功率恒流驱动器进行研究，并确定实际需求，进而提出系统设计方案。所设计的恒流驱动器的核心电路是基于负反馈系统的电压控制电流源，以实现高稳定度的输出电流；为增强功率放大模块的大电流输出能力，设计了一种复合达林顿的电路拓扑结构；本实用新型主要基于深度负反馈结构进行大功率恒流驱动器的系统设计，实现了稳定度高的大功率恒流的电源驱动功能。具体的，

1)在功率放大模块设置前馈放大电路(输入级模块)、功率放大电路(输出级模块)、取样电阻阵列以及反馈模块形成一个完整的深度负反馈型电压控制电流源，从而得到满足设计要求的输出电流控制灵敏度，进而实现高稳定度的恒流输出；

2)将基准电压、限流电路和调节电路模块相结合构成电压控制模块，其中采用高精度的基准电源，保证了恒流驱动器实际工作时能够输出稳定度高的输出电流；

3)通过分析导致功率器件并联分流不平衡的原因，提出了具体可行的均流电阻的最优取值方法，解决了功率放大模块并联的三极管阵列分流不平衡的问题，从而进一步的为实现稳定度高的大功率恒流驱动器的驱动功能提供了保障。

以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其特征在于：其包括供电系统、与所述供电系统电气连接的功率放大模块和电压控制模块，所述功率放大模块包括由差分放大器构成的输入级、与所述输入级连接的且由功率晶体管阵列组成的输出级以及采集所述输出级电压电流信息反馈给所述输入级的反馈模块，所述输出级包括与所述差分放大器输出端连接的第一电阻、与所述第一电阻串联的第一三极管、与所述第一三极管发射极连接的若干并联设置的阵列三极管，所述阵列三极管的基极与所述第一三极管发射极连接，所述阵列三极管的发射极与所述反馈模块连接，所述第一三极管的集电极和所述阵列三极管的共同集电极形成恒流驱动器的输出端连接负载，所述电压控制模块的输出端与所述输入级连接。

2.如权利要求1所述的基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其特征在于：所述输入级为一个差分放大电路。

3.如权利要求1所述的基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其特征在于：在所述阵列三极管的基极上均设置有一分压电阻。

4.如权利要求1所述的基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其特征在于：所述阵列三极管的发射极端一一对应设置有分压电阻。

5.如权利要求1所述的基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其特征在于：所述反馈模块包括与所述阵列三极管发射极一一对应连接的取样电阻阵列、与所述取样电阻阵列连接的运算放大器，所述运算放大器的输出端与所述输入级中所述差分放大器的正向输入端连接。

6.如权利要求5所述的基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其特征在于：所述反馈模块还包括与所述阵列三极管发射极一一对应连接的反馈电阻，且所述反馈电阻的另一端接地设置。

7.如权利要求1所述的基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其特征在于：还包括与所述供电系统和所述电压控制模块电气连接的人机交互模块。

8.如权利要求1所述的基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其特征在于：所述供电系统包括一端与市电连接的且另一端接地的第一电源和第二电源。

9.如权利要求1所述的基于新型复合达林顿电路拓扑结构的大功率恒流驱动器，其特征在于：所述电压控制模块包括基准电压源、限流电路和调节电路。