基于大功率直流恒流電源的研究

王林靜 譚永彥

（1、山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪分公司檢修中心特鋼作業(yè)區(qū)，山東 萊蕪 271105；2、山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東 萊蕪 271105）

1 恒流源概述及應(yīng)用情況

恒流源是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源。所謂“恒流”并不是電流值絕對不變。只是這種變化非常小，在工作范圍內(nèi)可視為基本穩(wěn)定。現(xiàn)代電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了對恒流源的需求。例如，大電流高精度恒流源在白光燈照明、蓄電池的快速充電器、電氣觸點(diǎn)微電阻測量、實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域有著多方面的應(yīng)用。

1.1 檢測技術(shù)

在電流表校準(zhǔn)過程中，將被測表和標(biāo)準(zhǔn)表并聯(lián)在恒流源兩端，通過調(diào)整恒流源輸出至標(biāo)準(zhǔn)表刻度值，來檢測被校表量程是否準(zhǔn)確。電路參數(shù)直流電阻的測量，特別是小電阻測量，阻值不大而對精度要求又高。若用電橋測量，精度雖高但操作較繁，而采用標(biāo)準(zhǔn)精密恒流源測量則可以大大簡化測量過程，可以在工廠中進(jìn)行大量檢測。

1.2 電真空及大功率照明器件

示波管、顯像管等電真空器件的燈絲電阻很小，若采用穩(wěn)壓源，則在通電瞬間會形成大電流尖峰，縮短燈管壽命。若采用恒流源供電，在燈絲由冷變熱的過程中保持電流恒定，可以延長燈管壽命。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置和醫(yī)療器械

在許多醫(yī)療診斷儀器中，如CT斷層掃描儀和超導(dǎo)磁源成像儀中的磁場均要求很穩(wěn)定，否則會造成嚴(yán)重的測量誤差。如果采用穩(wěn)壓電源，由于電磁鐵線圈工作時(shí)發(fā)熱等原因會使其阻值改變，因而供電電流變化，導(dǎo)致磁場不穩(wěn)定。如果采用恒流源供電就能克服上述缺點(diǎn)。因此，凡是要求磁場十分穩(wěn)定的裝置，就必須采用恒流源供電。所以，在核物理實(shí)驗(yàn)裝置中，如粒子加速器、質(zhì)譜儀、β 譜儀以及云霧室，都必須采用恒流源供電。

1.4 工廠除塵裝置

恒流源技術(shù)被廣泛應(yīng)用在在電除塵行業(yè)。如水泥廠的立窯收塵、回轉(zhuǎn)窯尾電收塵、鋼鐵行業(yè)的結(jié)燒收塵、有色冶煉行業(yè)的電收塵等場合幾乎全部使用恒流源。恒流源供電特性呈“正反饋”，即輸出電功率大小與除塵器所需電功率大小成正比。當(dāng)除塵器某時(shí)刻粉塵濃度變大，要使除塵效率保持不變，需要電源同步增大輸出功率。正由于恒流源輸出電流恒定，而輸出電壓隨負(fù)載大小變化而變化，當(dāng)粉塵濃度變大時(shí)，則恒流電源輸出電壓也同步增大，所反映在除塵器上即電源輸出電功率是同步增大。

2 傳統(tǒng)恒流源的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 傳統(tǒng)恒流源實(shí)現(xiàn)方法主要有以下三種：

（1）采用差分放大器構(gòu)成的恒流源，包括鏡像電流源、微電流源等。在集成電路中可為放大電路提供偏置電流。

（2）集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的恒流源，分為負(fù)載浮置（負(fù)載兩端均不接地）和負(fù)載接地恒流源。

（3）由三端穩(wěn)壓器件構(gòu)成的恒流源，具有體積小、價(jià)格低、可靠性較高，便于大量生產(chǎn)。

上述傳統(tǒng)電流源主要應(yīng)用在集成電路芯片或小功率電路中，所提供電流較小。

2.2 大功率恒流電源組成及實(shí)現(xiàn)方法

傳統(tǒng)恒流源輸出功率小，效率較低，而在電鍍、電除塵、開關(guān)器件檢測等場合需要大電流高效率的電源。一般的工頻開關(guān)電源，頻率較低（50Hz左右），普遍采用工頻變壓器，當(dāng)功率上升時(shí)，變壓器體積和重量都急劇上升；且由于采用硬開關(guān)，功率管開關(guān)損耗大，電源輸出效率低（75%左右）。而本設(shè)計(jì)采用高頻變換器，輸出頻率在80kHz左右，采用的高頻變壓器體積小、重量輕，可大量節(jié)省有色金屬；且采用軟開關(guān)技術(shù)，減少功率管開關(guān)損耗，大大提高了電源輸出效率（90%-95%）。

2.2.1 大功率直流恒流電源的組成部分

（1）輸入模塊：主要有輸入高頻濾波電路、整流濾波電路；

（2）變換器模塊：主要有全橋變換器、移相控制電路、PWM產(chǎn)生電路、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、隔離高頻變壓器等；

（3）輸出模塊：主要有同步整流電路、輸出濾波電路；

（4）檢測控制模塊：主要有單片機(jī)、鍵盤及數(shù)碼管電路、電流電壓采樣電路；

（5）輔助模塊：主要有過流過溫保護(hù)電路、輔助電源電路。

2.2.2 大功率直流恒流電源實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)輸入為市電220V±15%，在輸入模塊的抗電磁干擾濾波器（EMI）濾去電網(wǎng)雜波，經(jīng)過全橋整流和濾波電容后輸出較平直的工頻直流電（約300V）。在變換器模塊，50Hz工頻直流電通過全橋變換器后變換到80kHz的高頻直流電。再經(jīng)隔離變壓器與輸出模塊的同步整流電路連接，經(jīng)輸出濾波電路濾去高頻雜波，輸出1-5V，10-100A恒流直流電。采樣反饋電路通過分流器對輸出電流采樣，將反饋信號傳送到UC3875移相控制芯片，實(shí)現(xiàn)電流負(fù)反饋，以達(dá)到恒流輸出目的。同時(shí)輸出電壓和電流經(jīng)AD轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)，并通過7段數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)可通過一個(gè)滑動(dòng)變阻器使輸出電流在10-100A連續(xù)可調(diào)，并可通過鍵盤設(shè)定或手動(dòng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。系統(tǒng)內(nèi)還設(shè)置有過流過溫保護(hù)電路，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.2.3 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)

輸入整流濾波電路包括過壓保護(hù)模塊、抗電磁干擾濾波電路、全橋整流電路、濾波電容。

（1）過壓保護(hù)電路：電路中所產(chǎn)生的過壓主要是雷擊和電網(wǎng)電壓尖峰，而二者中雷擊產(chǎn)生的高電壓危害最大。雷擊時(shí)產(chǎn)生的高壓加在壓敏電阻RV1、RV2、RV3上時(shí)，其阻值降低，形成大電流通路，將高壓產(chǎn)生的能量導(dǎo)地。當(dāng)電流過大，則保險(xiǎn)絲F1、F2燒毀，保護(hù)后級電路。

（2）抗電磁干擾濾波電路：由電感L1和電容C2、C3、C4組成的濾波網(wǎng)絡(luò)不僅可以抑制電網(wǎng)產(chǎn)生的噪聲及紋波干擾電源內(nèi)部信號，也可防止電源本身產(chǎn)生的高頻噪聲回送到電網(wǎng)中。而電源開啟瞬間產(chǎn)生的大電流則通過熱敏電阻RT1耗散，隨溫度升高RT1阻值降低，耗散能量逐漸減小。

（3）全橋整流電路：采用四個(gè)二極管組成的全橋整流電路，具有輸出電流紋波較小，效率高的特點(diǎn)。可在輸入波形的正負(fù)半周同時(shí)進(jìn)行變換，

（4）濾波電容：整流橋輸出的有紋波電流經(jīng)C5、C6濾波后可以得到平直的直流電流，且C5值越大，輸出紋波越小。