應(yīng)用于電源測(cè)試的饋能型電子負(fù)載仿真研究

成富平

（安健科技有限公司，廣東深圳518000）

1 饋能型電子負(fù)載電源測(cè)試原理

饋能型電子負(fù)載用于電源測(cè)試時(shí)，一端與被測(cè)試電源相連，另一端與電網(wǎng)相連，其結(jié)構(gòu)采取直流環(huán)節(jié)的整流+逆變雙級(jí)變換結(jié)構(gòu)。AC／DC的整流環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)可以控制測(cè)試電源的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的控制，而DC／AC的逆變環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)可以控制電網(wǎng)的交流電壓，進(jìn)而控制電網(wǎng)的輸出電流。這樣根據(jù)電源測(cè)試的實(shí)際要求可以靈活控制輸入和輸出電流的工作頻率，滿足電源測(cè)試需要。整流單元與逆變單元采用二級(jí)電壓變流器構(gòu)成，以一個(gè)電容為核心對(duì)電能進(jìn)行儲(chǔ)存或傳遞。前級(jí)整流器完成電源測(cè)試的負(fù)載特性模擬，后級(jí)逆變器完成輸入電流的儲(chǔ)存和電網(wǎng)并入工作，達(dá)到電能回饋的目的。

2 能饋型電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

無論是穩(wěn)壓器的開啟、還是ADC的驅(qū)動(dòng)都要求供電電源是穩(wěn)定且線性的，因此電源電路的設(shè)計(jì)中盡量避免使用開關(guān)電源。穩(wěn)壓器的輸出和ADC的驅(qū)動(dòng)各自選擇一塊3.3 V的LD1117電源供電即可，同時(shí)為了提高電源的穩(wěn)定性和使用精度，還可以使用一個(gè)1μF的電容來進(jìn)行濾波，起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

能饋型電子負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路中主要利用MOSFET作為壓控開關(guān)，通過電網(wǎng)產(chǎn)生的柵極電壓來達(dá)到控制漏極電流的目的。這種壓控開關(guān)的驅(qū)動(dòng)功率較小，電路也比較簡(jiǎn)單，不會(huì)對(duì)相鄰電路產(chǎn)生影響，因此穩(wěn)定性較高。驅(qū)動(dòng)電路采用集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2110來控制開關(guān)管，一片芯片可以控制兩個(gè)開關(guān)管，其HO引腳和LO引腳通過不同電阻連接到兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電源的柵極，電阻的作用是避免芯片驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的噪聲與開關(guān)管形成共振，同時(shí)限制柵極電流的輸出。

2.3 整流環(huán)節(jié)

整流電路采用單相全波二極管電路進(jìn)行整流，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。整流環(huán)節(jié)是為了控制測(cè)試電源的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的控制以及完成電源測(cè)試的負(fù)載特性模擬。因此單相全波二極管的作用就是將所有電源輸入的電流整合，串聯(lián)疊加起來，然后經(jīng)過反向器的反向轉(zhuǎn)換最后變成交變電流輸出。變壓器存在中心抽頭結(jié)構(gòu)，在電壓工作的不同周期，兩個(gè)二極管分別導(dǎo)通工作，最后使電源輸入電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔冸娏鞣捶较蛄鞒鲎儔浩鳎@樣避免了直流磁化的問題。

2.4 過載保護(hù)電路

所有電路設(shè)計(jì)中都要考慮過載保護(hù)的問題。由于饋能型電子負(fù)載的另一端連接的是電網(wǎng)，因此會(huì)有發(fā)生過載的危險(xiǎn)，在電路中設(shè)計(jì)一個(gè)熔斷開關(guān)即可，其保險(xiǎn)絲的規(guī)格應(yīng)滿足略大于電路輸入電流限額的要求，最好采取接地形式，保證保險(xiǎn)絲不會(huì)由于漏電發(fā)生事故；其次可以通過加裝二極管和壓敏電阻的方式提供瞬間過壓保護(hù)，二極管和壓敏電阻可以達(dá)到瞬態(tài)抑制電容電壓的作用。

2.5 負(fù)載模擬控制設(shè)計(jì)

饋能型電子負(fù)載的模擬控制一般選擇PID，即比例積分微分控制，其操作簡(jiǎn)單，適應(yīng)穩(wěn)定性都較強(qiáng)。其原理是利用輸入電流實(shí)際值與預(yù)測(cè)參考值的差值作為自變量，分別對(duì)差值進(jìn)行比例、微分、積分運(yùn)算處理，最后輸出相應(yīng)的控制量。PID控制的數(shù)學(xué)模型為：

式中，u（t）是輸出控制值；r（t）為預(yù)測(cè)參考值；y（t）是實(shí)際輸出值；e（t）為差值；KP、T1、TD分別為比例、積分、微分常數(shù)。

主控制芯片選擇的是STM32F103VBH6型控制芯片，它處理的是數(shù)字信號(hào)，因此還需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出，PID的模擬控制也應(yīng)該進(jìn)行數(shù)字化處理，其數(shù)學(xué)模型如下：

式中，T為連續(xù)采樣周期；n為采樣序號(hào)。將以上公式代入（1）可以得到如下公式：

2.6 逆變控制電路設(shè)計(jì)

逆變控制電路采用H橋單元逆變器，其結(jié)構(gòu)由各種半導(dǎo)體開關(guān)器件，如交流濾波電感、直流側(cè)平波電容、主開關(guān)器件、反并聯(lián)二極管等組成，交流濾波電感可以濾除因主開關(guān)管閉合產(chǎn)生的高頻電流，抑制輸出電流波動(dòng)異常，起到良好的緩沖作用；直流側(cè)平波電容主要是控制輸出電流經(jīng)過升壓變換器的頻率；對(duì)主開關(guān)管進(jìn)行適當(dāng)?shù)腜WM控制就可以控制輸出脈沖的輸出波形。具體控制方法如下：當(dāng)調(diào)制信號(hào)強(qiáng)于載波信號(hào)時(shí)，導(dǎo)通主開關(guān)管2、3，關(guān)閉主開關(guān)管1、4，此時(shí)輸入電壓與輸出電壓的相位相同，當(dāng)載波信號(hào)強(qiáng)于調(diào)制信號(hào)時(shí)，導(dǎo)通主開關(guān)管1、4，關(guān)閉主開關(guān)管2、3，此時(shí)輸入電壓與輸出電壓相位正好相反。在切換主開關(guān)管狀態(tài)時(shí)，注意應(yīng)先將逆變輸出的電壓控制在零，這樣電流才能通過主電路回路完成循環(huán)續(xù)流，再次切換時(shí)，逆變器的電壓輸出逐漸增高，電流被電容儲(chǔ)存，準(zhǔn)備下一次的調(diào)制。

H橋單元逆變器疊加電路就是將多個(gè)H橋串聯(lián)疊加入電路，每個(gè)H橋都有一個(gè)獨(dú)立直流電源為其供電，二者也是串聯(lián)形式，這樣主開關(guān)承受的壓降就被限定在二者所劃分的功率單元里，其優(yōu)點(diǎn)是減少了次開關(guān)管的數(shù)目，進(jìn)而減少了開關(guān)管的動(dòng)作次數(shù)，而且控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，逆變器可以直接對(duì)獨(dú)立直流電源進(jìn)行控制，避免了傳統(tǒng)逆變電路安裝濾波器件的步驟，降低了成本。H橋逆變器的工作狀態(tài)只有四種：正向?qū)ā⑴月罚聪驅(qū)ā⑴月罚虼艘坏┏霈F(xiàn)其他級(jí)聯(lián)電路狀態(tài)就是異常狀況，需要及時(shí)檢查，一定要保證每一個(gè)H橋基本單元輸出波形的基波電壓是一致的，這樣才能實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)疊加。

3 饋能型電子負(fù)載的測(cè)試仿真

按圖1所示饋能型電子負(fù)載的電路圖在MATLAB中進(jìn)行仿真測(cè)試分析，電源選擇100 V直流電源，輸入端電感值0.1 m H，電容值都為1 000μF，輸入信號(hào)為頻率1 k Hz的三角波載波信號(hào)，調(diào)制器的調(diào)制比設(shè)置為0.34，變壓器的變壓比為0.5。

圖1 饋能型電子負(fù)載電路圖

觀察儲(chǔ)能電容的電壓波形是頻率50 Hz左右的正弦波，輸出電壓波形也是正弦波，電壓峰值沒有明顯改變，如圖2所示。

圖2 輸出電壓波形

選取輸出電壓的一個(gè)周期進(jìn)行傅里葉分析，5 k Hz下的諧波成分不足1.5%，因此諧波穩(wěn)定，設(shè)計(jì)是可行的。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了饋能型電子負(fù)載的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能，從負(fù)載的主控芯片選擇、電源電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、整流環(huán)節(jié)電路設(shè)計(jì)、過載保護(hù)電路設(shè)計(jì)、負(fù)載模擬控制設(shè)計(jì)、逆變控制電路設(shè)計(jì)、饋能型電子負(fù)載主電路設(shè)計(jì)等方面分析了饋能型電子負(fù)載的工作原理和控制方案，最后利用MATLAB軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可能性。在實(shí)際電路測(cè)試中，還有能饋型電子負(fù)載的電磁兼容干擾、布局干擾等細(xì)節(jié)需要考慮。只有設(shè)計(jì)時(shí)考慮全面，才能保證電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電源測(cè)試的精確度。

［1］王 輝，印葉婷.電壓模式降壓型開關(guān)電源的仿真研究［J］.電氣自動(dòng)化，2012，34（3）：31-33.

［2］亓?xí)酝?饋能型電子負(fù)載用升壓DC／DC變換器設(shè)計(jì)研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2014，36（8）：66-69.

［3］侯立健，朱長(zhǎng)青，嚴(yán)雪飛，等.饋能型電子負(fù)載在移動(dòng)電站測(cè)試中的應(yīng)用研究［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，（3）：65-69.

［4］徐 旭.船舶電站電源檢測(cè)的饋能型電子負(fù)載研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.