TWI228210B - AC electronic load apparatus - Google Patents

Description

1228210 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種作兔六A 裝置等負載而使用的交流電乍或不斷電” 輸出變頻器電源及高頻電源等高2L2是-種 流電源等特性之用的交流電子負載電力之被測試父 【先前技術】 i ° [習知之技術] 第一圖為說明習知技術之 測試交流電源2之正極性侧半 ^電子負載裝置1中，被 被測試交流電源2的等==作原理的原理圖。將 及内部電阻R0之串聯電路，A Z為正弦波電壓產生器E2 同相位之基準訊號交流J壓E;由測試交流電源與 負載電流控制電路所構成。 《之負載電流流動之 R3(與R4為等效電阻值)電、3電=大器回授電阻 μ )負載電流檢出用分流電阻R5、及 y ’用與已增幅的基準訊號交流電壓的誤差 •電堅’形、驅動電晶體Q J閘極的負回授迴路，其負載電流 i L [ A ]如公式1 : [數1] iL = El X R3 / Ri x R5............公式} 亦即，負載電流iL與負載電壓無關而與基準訊號交流電壓 E1呈比例且机動與基準訊號交流電壓波形相似的負載電 流之m子負载’此負載模式就稱為定電流模式。在

第5頁 1228210 五、發明說明（2) 此：：為交流動作的電子負載， 、、中之-例為，準備2個與帛、°以藉正負 兩極性動 作 如 ^路：附予各電路：Γ準:τ交了雷所：之電路同等的 弟一圖所示之串聯的方法。 電壓的極性反轉 在第二圖的電路中，負載電壓 一方極性的負載電壓驅動的電晶體，e t的極性時，使另 狀態，作為正負極性交互動作之六攻=错由二極體呈導通 因為是作為高頻之被測試交流電$ =負載而動作，但 作，所以，該交流電子負載之負回父流電子負載而動 儘可能擴展。3一方面，此負回授c頻率區域必須 電感與負載電晶體之内部寄生曰因為連接電纜的 控制系統的安定度產生很大的影響里習；=== =路來進行控制迴路之頻率補償：，但因為 Μ Μ對應尚速響應的回授迴路之頻率特性廣區域化，會招 致妨害安定度的過渡特性之過流現象（ove:r shoot)及交連 (linking)、或是發振現象，而為了避免此一現象，必須 加大運算放大器XI、XII之回授電路的電容C1、C11之容 量’若不犧牲回授頻率區域，就無法達到高速區域的交流 電子負載裝置。（參照專利文獻1及專利文獻2等） 【專利文獻1】 特開平06 -1 89554號公報（第5-11項、第一圖） 【專利文獻2】 特開平〇7-9221 5號公報（第6-15項、第二圖） 1228210 五 發明說明（3) 【發明内容】 本發明所欲^決之技術問題 的交要士達雷到早同自頻并之破測試交流電源、及對應高頻負載電流 載電；變化：Ϊ 了；^有=通率(thr〇Ughrate)的負 圖中由運算放大LI %「及二，：曰須要儘可能擴展第二 頻率特性，“將交流電子負載之控 效電外會νΛ題/，被測試交流電源與連接電纜的等 影響？若要塑電座子負載之控制迴路特性產生很大的 率區诚 问速響就必須擴展負載電流控制迴路的頻 咸Τ合5秘4·如此一來，被測試交流電源與連接電纜的等效電 ΓΛ/同時使負載電流控制迴路特性的振幅餘裕及 電子負發=度特性(。ver shoot) ’而引起交流 士 、載連續發振的問題。習知技術中，為了讓被測試 机電源的連接電纜的電感L即使增 發生發振，會利用第一 私度，也不會 載雷泣批生丨…第一圖 c2、ci2等來降低負 : : 頻率區域’而大幅犧牲響應速度。因 明，應之電子負載’是很大的障·；而藉由本發 不+播ΐ ΐ測试父流電源的連接電纜的電感l比較大，亦 載電流控制迴路的頻率區㉟，可以達到 應之父流電子負載。 曰 本發明解決問題之技術手段

I 第7頁 1228210 ........... Mil· 五、發明說明（4) 如第四圖所示，得一^種句冬於达 « ^ ^ ^ ^ 糸裡匕3作為被測試交流電源之負 ;:^!:Γ、011’與控制對應交流所定負載電 將電感L3、U3串聯插人該負載電a 電子負載裝置 應之交流電子負載裝置。 載裝置’更可大幅高速響 本發明對照先前技術之功效 όΪΪΪ;說明，本發明之電子負载裝置，比起習知技 i:i裝置，具有廣範圍之頻率區域的負載電流響 α特性，且不易受到與被測試電源之 的影響，所以，在被測試電源夕叁从^接電纜之寄生電感 時之特性評價測試等，習知技:^孚載變動測試及啟動 響應特性測試。于負載裝置可以進行這樣的高速負載 實施方式】 照圖表來說明本發明之實施態樣。 S知技術之交流電子負載裴置之— 利申請範圍第i項所記載之本發 第二圖所示’ ，以下就模擬結果之波形圖& 貫 q如第四圖所 效果。此外，在比較第=:習==發明之作用 頻率補償電路之外，其冓以電路構造不同 有的零件^、及被測試交 第8頁 1228210 五、發明說明（5) 一 效模式 僅就1 因應所 流控制 t 日 JBA ΒΘ體 壓的期 成的回 動作。 放大器 利用 ，從分 作為各 ^電源的連接電纜的電感以及被測試交 等，都是在相同條件下進行比較。 電，原、的荨 為了避免本申請案件之實施例的說明太 個正負極性之電晶體的情況加以說明，但當^可、 =要之負載電流及負載電力的大小，將包含^載^ 坦路之本申請案件的實施例之電路，作複數個區塊 (block)的並聯，達到所需要的交流電子負载。 在第三圖及第四圖中，由運算放大器XI及負載 Q1所構成的回授迴路，是在被測試交流電源為正電 $能動作，由運算放大器^1及負載電晶體Qu所構 授迴路，則是在被測試交流電源為負電壓的期間能 其構成為：在正電壓期間、負電壓期間動作的運^ XI、XI1之基準電壓訊號，是藉由基準交流電源£1、 輸入電阻R1、R2及輸入電阻R11、R12供給的，此外 流電阻到回授電阻r3、R4及回授電阻R13、Ru，會 自的差動訊號而動作。 串聯插入電流檢出用分流電阻R5、R1 5的電感L1、 LI 1 ’表示分流電阻所具有的微少的殘留電感，但因情形 不同’也有是當作回授迴路相位補償用而附加的情形。在 此實施例的模擬中，電流檢出用分流電阻R5、R1 5設定為 〇·2[ Ω]、殘留電感LI、L11設定為O.U "H]。起因於此殘 留電感的回授迴路之傳達係數，在時間常數設定為τ1 時， [數2]

1228210 五、發明說明（6) τ 1 = L1/R5 ......公式2 公式2所示之一次進行要素，負載電流檢出電路，會 發生無法忠實檢出負載電流的問題。但是，插入和基準電 壓訊號之輸入電阻Rl、R2及輸入電阻R11、R12相同時間常 數為τ 1的電容C3、C4及電容C12、C13後，即可排除此一 問題。 此外’將對應與被測試交流電源連接的負載連接電纜 的長度而產生的電纜單側線之等效電感當作121及[22，將 該一對電镜作成平行線或絞線（t w i s t )，使其磁束相互交 叉’將該相互電感當作Μ時，存在於被測試交流電源與交 流電子負載裝置之間的連接電缆所產生之電感成分，可以 視為相當於公式3之L的等效電感。 [數3] L = L21 + L22 - 2 X Μ............公式3 此外’並聯插入該電纜之等效電感L21及L22之電阻 R21、R22是在高頻下，以接近實體值之目的，插入被測試 父流電源與連接的負載連接電規之電感Q的損失電阻，在 本實施例中的效果說明，是將負載連接電纜的單側線電感 各设定為10[#H]、100[//H]、1 [mH]，設定負載連接電？ % 緵之往返線間結合係數K = 0 · 9，被測試交流電源之負载電 壓l〇〇[V]、負載電流1[Α]，來模擬第三圖之習知技術之交 流電子負載裝置’以及第四圖之本發明的交流電子負栽梦 置的特性。再則，第三圖中的電容c 1、C1 1為回授迴路之、 主要頻率補償用電容，插入相同常數之電容C2、ci2，作

1228210 五 '發明說明（7) 為相對應之差動阻抗元件，在第四圖所示的本發明之一實 施例之電路構造中，串聯插入負载電晶體Q1、QU之源極 的電感L3、L13，會作為回授迴路的主要頻率補償而動 作，而第二圖之習知技術的電路並未插入主要頻率補 電容Cl、C11，或為極少之電容量。

首先，說明負載電流控制迴路中的電路各部之頻 授迴路之特性’第三圖所示之 =裝置之特性如第五圖所示、第四圖所 ；日;I 施例之特性如 m ^ Iir複θ寫被測試交流電源2與連接電纜之單 性的if二：]圓、q [mH]時之特 二:’第五d圖及第六d圖為第三圖ΠΞ 沒之相位差為相位餘裕）。 與連接電規的電感變目：於被測試交流電源2 補償結果，在迴路增餘裕及相位餘裕之頻率 一方面，第四圖所-為的頻率下，約為200 [ΚΗΖ]。另 電晶體源極的電感G之々發明的電路構造中，以插入負載 =_時的特性如第六4進=率二^ 為1的頻率下，約為弟圖所不，在迴路增益 的頻率特性，i / Ηζ]，比起習知技術之電路構造 了以達到10倍以上的廣區域特性。

五、發明說明（8) 此外，在回授迴路的頻率

圖為輸入習知技術之電路構、生盥 ，第五A圖及第-A 電流檢出用分流電阻R5鱼哕==f f明之電路構造的負栽 電-之運算放大器X1之輪===殘留電感L1的兩端 - >们 箱出電壓的頻率特性，第；A IB1此 不之習知技術的電路構造，因A 第五A圖所 容π、⑴進行迴路的頻率補償為疋：、運/放大器的回授電 率下，約為·[ΚΗζ]，Λ Λ Λ 益為1的頻 Ϊ 可以高達5〇〜6〇[MHz]，在後述時 ::領域中的波形偏斜也有很大的差 ^ 發明之電路構造的另一個優點。 』以況疋本 ι“月=圖槿Λ六·Β!為同樣的習知技術之電路構造與本 =特性’本發明是以插入負載電晶體Q1、Q11電的 之，感L3、L13來進行迴路頻率補償的，所以，即使在被 測試交流電源2與連接電纜的電感變化下，亦具有平坦之 頻率特性，在交流電子負載之總和迴路特性上，亦不易受 到該連接電纜的電感之影響，是安定且廣區域的控制系 統0 其次’來比較第三圖所示之習知技術的交流電子負載 之電路構造’與第四圖所示之本發明專利申請範圍第1項 之貫施例的父流電子負載之電路構造，其時間領域特性 之不同。各電路均以負載電流設定用基準交流電源E1，以 正弦波電壓附加於基準電壓訊號，以在±丨〇 [ Vp ]之電壓 日守’負載電流為± 1 · 〇 [ Ap ]來設定各部之常數，將電流設 1228210 五、發明說明（9) 定用基準交流電源E1之基準交流電壓，以2 [ V ]間隔，從+ 1 0 [ V p ]變化到± 1 〇 [ V p ]時，各部之模擬波形如第七圖及第 八圖所示。此外，被測試交流電源之電壓設定為 100[Vp]。 第七圖為第三圖所示之習知技術的交流電子負栽之電 路構造（將電容Cl、C11及C2、C12設定為l[nF])的特性波 形之一例’第八圖為第四圖所示之本發明一實施例的電路 構造（將電感L3、L13設定為5[uH])的特性波形之一例，第 七A圖及第八A圖為基準電壓訊號之波形、第七b圖及第八6 圖為負載電晶體Q1之閘極、源極間電壓、第七c圖及第八c 圖為負載電晶體Q1之汲極電壓、第七D圖及第八1)圖為 電晶體Q11之閘極、源極間電壓、第七E圖及第八E圖為負 載電晶體Q11、之汲極電壓、第七F圖及第八F圖為負載電流 波形。以基準訊號頻率為丨〇 [KHz]進行比較時，習知 =交流電子負載之電路構造，如第紅圖所示，約有2議 鑤：ί f小限度之負回授，在第七F圖的負載電流極性改 及坌国點中，有明顯的波形偏斜。其原因是，第七B圖 ϋ me 1間極、源極間電壓，藉由驅動負載電晶體之 大，首、XU之回授電容C1、CU，儘管誤差訊號很 微小的電流領域中所；^在負載電流·極性的切換 ^ ^ ^ 會產生一疋時間的不響應區域，結果 就會產生很大的交會偏斜狀況。 另 —，笛 造，如第六c圖所示四圖/斤/淮之本發明一實施例的電路構 在基準訊號頻率為10 [KHz]時，約有

1228210 發明說明（ίο)

69dB之充分的負回授，且從誤差增幅段到負載電晶體的閘 極電壓之頻率區域極高，如第八B圖及第八1)圖所示，負載 電晶體的閘極二源極間電壓，在保持運算放大器χι、χι1 之無回授時之鬲直通率狀態下，可以進行極忠實的反應誤 差訊號之控制，結果如第八F圖所示，呈沒有交會偏斜的 良好負載電流響應波形。此外，在基準訊號頻率為 1 〇〇 [KHz]時’第四圖所示之本發明一實施例的電路構造之 響應波形如第九圖所示，儘管基準頻率已提高1〇倍，但仍 具有比如第七圖所示及第三圖所示之習知技術的電路構造 下基準訊號頻率為1〇 [KHz]時的響應特性結果優異之響應 特性’由此可知本發明之交流電子負載之電路方式，可以 達到高速的交流電子負載。

β 其次’來詳述在負載電晶體夾持（pinch of f)時之電 壓變化’對於負載電流波形偏斜之影響下，習知技術與本 發明之電路構造之特性差異點。在正極性側負載電晶體Q1 /、負極性侧負載電晶體Q 1 1的控制切換之交會點下，為了 將負載電流偏斜最適當化，必須對應兩電晶體之閘極、源 極間的夾持電壓，施加偏壓（b i a s )。此夾持電壓會因所使 用的電晶體或溫度變化而有差異，對應此變化，也必須利 用運算放大器來追蹤閘極驅動電壓，但是，習知技術之電 路構造’如前所述，直通率極低，在與此成反比之一定的 時間中’會發生未進行比例控制的飽和狀態，使交會偏斜 3曰大’結果，負載電流波形就容易受到負載電晶體溫度變 化之影響。相對於此，本發明之電路因為負載電晶體閘極

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驅動電壓的直通率極 所以可以大幅減輕負 之影響。 南’所以回授控制的飽和時間極短， 載電流波形受到負載電晶體夾持電壓 如上所述之本發明的實施例，乃就串聯連接正極性側 負載控制電路與負極性側負載控制電路的構造加以敘述，

::就另-實施例來說明。第十圖為將負載電流檢出用分 机阻R5及殘留電感L1與頻率補償用電感L3，以正極性 側、負極性侧負載控制電路共用的電路，因為是將分流電 阻之負載電流檢出作為運算放大器的差動訊號加以檢出 的，所以，動作說明如第四圖之實施例相同，第十一 A圖〜 第十一F圖為第十圖所示之電路構成下，基準訊號頻率為 1 〇 [ Κ Η z ]時之響應波形。其他條件如第八圖之說明，響應 特性結果與第四圖之電路構造之響應特性幾乎不變。 第十二圖為另一實施例之電路構成，第十三Α圖〜第十 二F圖為第十二圖所示之電路構成下，基準訊號頻率為 10 [KHz]時之響應波形。第十二圖之電路構成，是將n通道 電晶體與ρ通道電晶體以逆向二極體串聯連接各電晶體的 没極。除了負載電流檢出用分流電阻及運算放大器兼具負 載電流的正負極性之外，動作均與前述說明相同。因為插 入負載電晶體的逆電壓阻止二極體，除了二極體内部電阻 引起的順電壓損失之外，在低負載電壓下的電流波形之交 會有若干犧牲，比起習知技術之交流電子負載，具有優異 的響應特性，除了零件成本可以降低外，亦可改善本發明 之交流電子負載之響應特性。

第15頁 1228210 圖式簡單說明 【圖式簡單說明， 第一圖係習知技術之 的原理圖。 十負載裝置之正極性半波部分 第二圖係習知技術之 第三圖係第二圖的；子負栽装置之原理圖。 圖。 ^理圖附加連接錢之影響的電路構成 第四圖係本發明專利主 電路構造。 明圍第1項所記載之一實施例的 第五A圖〜第五d圖係坌一 圖。 二圖之電路構造的頻率響應特性 第六A圖〜第六D圖係第四 圖。 圖之電路構造的頻率響應特性 性圖。@^ #'第三®之電路構造的電流波形響應特 圖係第四圖之電路構造的電流波形響應特 構造的電流波形響應特 專利申請範圍第1項所記載之另-實施例 Ά圖〜第则係第四圖之電路構造 第 第 應特〜第十—F圖係第十圖之電路構造的電流波形響 = 明專利申請範圍第1項所記載之另-實施 麵 1228210 圖式簡單說明 第十三A圖〜第十三D圖係第十二圖之電路構造的電流波形 響應特性圖。 圖式各元件符號之說明： 1 電子負載裝置 2 被測試交流電源等 E卜E4 電源 X 卜 XII 放大器 Q1-Q11 電晶體 R0〜R24 電阻 C 卜 C12 電容 L1-L22 電感 Dl、D2 二極體 ZD1 、 ZD2 穩壓二極體

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Claims (1)

1228210 六、申請專利範圍 1. 一種交流電子負載裝置，其係具有一控制電路，係將電 感與負載電流檢出用並聯電阻串聯連接於作為被測試交 流電源之負載而驅動的負載電流控制電晶體之源極側， 並形成使被測試交流電源的輸出電流流動的迴路，以輸 出符合於特定負載電流設定值之閘極驅動電流於該電晶 體。

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