CN104953823A - 直流电源脉冲负载适配器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，提供一种直流电源脉冲负载适配器，以解决直流电源与负载连接时存在的重载启动问题和重载开路问题，该适配器包括直流电源、电流采样电路、BUCK电路、续流电路、电流误差放大电路、电压采样电路、电压误差放大电路、单稳态电路、基准源、PWM控制器。本发明提出的技术方案解决了直流电源开机启动时的电流冲击问题与负载开路时的电压突变问题，可以适用于任何直流电源的脉动负载。

Description

直流电源脉冲负载适配器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种直流电源脉冲负载适配器。

背景技术

从上世纪90年代至今，随着电力半导体开关可靠性不断提高，PWM、SPWM、SVPWM等技术的涌现，开关电源已经被广泛应用于负载特性比较稳定的场所，例如小功率设备、便携工具、仪表等。由于开关电源本身所具备的非线性特性，在负载特征不稳定的场所应用时会导致各种问题，例如磁控溅射中的灭弧问题、激光泵浦中的脉冲退压问题、换向拖动中的制动问题、开关电源级联问题、负载突变问题等，由于上述问题的存在，很难将开关电源应用于大中型电力供给领域等负载特征不稳定的场所。

负载突变问题包括重载启动问题和重载开路问题。

重载启动问题指的是电源在开机时电路电流的突然变化。为解决该问题，可以采用电阻限流法缓解开机时产生的冲击电流对负载的影响，该方法的主要缺点是：

1、变流充电，开始充电电流大，最后电流小，启动时间长；

2、无法实现对电源电容的恒流充电；

3、无法抑制电路寄生电感反射给电网的电压；

4、体积庞大的限流电阻开机瞬间损耗很大(例如当20千瓦电源开机瞬间，缓冲电阻损耗为1128焦耳)。另外，由于传统直流电机启动都是采用逐步增加电枢电压的方式，目前的PWM方式只能控制电压，等待电机达到额定转速时，电枢电压升高到额定励磁电压，从而实现控制电机转矩的目的。该方案存在以下缺点：

1、电机启动电压低，电流小，转矩也小，因此带载启动能力差；

2、电机空转、堵转、反转等情况出现时电枢中的电流变化很大。

重载开路问题指的是负载在开路时电路电流的突然变化，分为负载在线开路与负载离线开路，负载在线开路指的是电源停止输出。负载离线开路的情况就比较复杂，在负载离线开路时，电源电势能依然存在，电源电路中的磁势能突然开路，此时出现的现象就是行业中的常用术语“电流拖尾”，当电源内部电流拖尾时关断损耗增加，开关应力增加(开关电源中，开关关断时的电压应力接近母线电压的2倍，同时伴随10倍开关频率的阻尼振荡)，导致负载回路的设备损坏，目前并没有有效解决重载开路问题的方法和设备。

发明内容

【要解决的技术问题】

本发明的目的是提供一种直流电源脉冲负载适配器，以解决直流电源与负载连接时存在的重载启动问题和重载开路问题。

【技术方案】

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明涉及一种直流电源脉冲负载适配器，包括直流电源，还包括：

BUCK电路，其包括功率开关、抽头电感、滤波电容，所述功率开关的输入端与电流采样电路的一端连接，所述抽头电感的首端与功率开关的输出端连接，所述滤波电容的一端与抽头电感的尾端连接，所述滤波电容的另一端与直流电源的负极连接；

电流采样电路，其串联在直流电源的正极与BUCK电路的功率开关之间，其输出端与电流误差放大电路的反相输入端连接；

电流误差放大电路，其同相输入端与第一基准源连接，其输出端与PWM控制器的同相输入端连接；

续流回路，其包括可控硅、续流二极管和第一抽头电阻串，所述第一抽头电阻串并联在抽头电感首端与尾端之间，所述第一抽头电阻串的抽头端与抽头电感的抽头端、可控硅的控制极连接，所述可控硅的阳极、可控硅的阴极、续流二极管相互串联；

PWM控制器，其输出端与功率开关的控制端连接；

第一基准源。

作为一种优选的实施方式，所述可控硅、续流二极管、抽头电感的连接方式为：

所述可控硅的阳极与续流二级管的负极连接，所述续流二极管的正极与抽头电感的尾端连接，所述可控硅的阴极与抽头电感的首端连接；或

所述可控硅的阴极与续流二级管的正极连接，所述续流二极管的负极与抽头电感的尾端连接，所述可控硅的阳极与抽头电感的首端连接。

作为一种优选的实施方式，还包括：

电压采样电路，其并联在所述直流电源脉冲负载适配器的输出端，所述电压采样电路的输出端与电压误差放大电路的同相输入端连接；

电压误差放大电路，其反相输入端与第二基准源连接；

单稳态电路，其输入端与电压误差放大电路的输出端连接，其输出端与PWM控制器的同相输入端连接；

第二基准源。

作为另一种优选的实施方式，所述第一基准源为基准电流源。

作为另一种优选的实施方式，所述电流误差放大电路的输出端与PWM控制器的同相输入端之间、单稳态电路的输出端与PWM控制器的同相输入端之间均串联有二极管。

作为另一种优选的实施方式，所述电压采样电路为第二抽头电阻串，所述第二抽头电阻串的抽头端作为电采样电路的输出端与电压误差放大电路的同相输入端连接。

作为另一种优选的实施方式，所述第二基准源为基准电压源。

作为另一种优选的实施方式，所述电流采样电路包括电流传感器、负载电阻、桥式整流器，

所述电流传感器的一端与直流电源的正极连接，其另一端与BUCK电路的功率开关的输入端连接；

所述负载电阻、桥式整流器均并联在电流互感器的两端，所述桥式整流器的输出端作为电流采样电路的输出端与电流误差放大电路的反相输入端连接。

作为另一种优选的实施方式，所述电流传感器为电流互感器。

作为另一种优选的实施方式，还包括第一RC吸收电路和第二RC吸收电路，所述第一RC吸收电路并联在功率开关的输入端与输出端之间，所述第二RC吸收电路并联在抽头电感的首端与尾端之间。

作为另一种优选的实施方式，所述第一RC吸收电路和第二RC吸收电路均由串联连接的电阻和电容组成。

【有益效果】

本发明提出的技术方案具有以下有益效果：

本发明不仅解决了直流电源驱动负载时，BUCK电路的电容上的电流突变现象，还解决了BUCK电路的抽头电感上的电压突变现象。总之，本发明解决了直流电源开机启动时的电流冲击问题与负载开路时的电压突变问题，可以适用于任何直流电源的脉动负载。

附图说明

图1为本发明的实施例一提供的直流电源脉冲负载适配器的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，也不是对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

实施例一提供一种直流电源脉冲负载适配器。如图1所示，其包括直流电源1、电流采样电路2、BUCK电路、续流电路3、电流误差放大电路4、电压采样电路5、电压误差放大电路6、单稳态电路7、基准源8、基准源9、PWM控制器10。

电流采样电路2串联在直流电源的正极与BUCK电路的功率开关的输入端之间，电流采样电路2的输出端与电流误差放大电路4的反相输入端连接。具体地，本实施例中，电流采样电路2包括电流互感器、负载电阻、桥式整流器，电流互感器的一端与直流电源1的正极连接，其另一端与BUCK电路的功率开关Q1的输入端连接；负载电阻、桥式整流器均并联在电流互感器的两端，桥式整流器的输出端作为电流采样电路的输出端与电流误差放大电路4的反相输入端连接。

BUCK电路包括功率开关Q1、抽头电感L、滤波电容C，功率开关Q1的输入端与电流采样电路的一端连接，抽头电感L的首端与功率开关Q1的输出端连接，滤波电容C的一端与抽头电感L的尾端连接，滤波电容C的另一端与直流电源1的负极连接。本实施例中，功率开关Q1的两端还并联有RC吸收电路，具体地，功率开关Q1的输入端与RC吸收电路的一端连接，功率开关Q2的输出端与RC吸收电路的另一端连接。

抽头电感L的首端与BUCK电路的功率开关Q1的输出端连接，其尾端作为本实施例所提供的直流电源脉冲负载适配器的输出端。

续流电路3包括可控硅Q2、续流二极管D、抽头电阻串R1和RC吸收电路，可控硅Q2的阴极与抽头电感L的首端连接，可控硅Q2的阳极与续流二极管D的负极连接，可控硅Q2的控制极与抽头电感L的抽头端连接。续流二极管D的正极与抽头电感L的尾端连接。抽头电阻串R1并联在抽头电感L两端，具体地，抽头电阻串R1的一端与抽头电感L的首端连接，其另一端与抽头电感L的尾端连接，其抽头端与抽头电感L的抽头端连接，本实施例中，抽头电阻串R1由4个电阻串联而成，其中选择两个电阻的公共端作为抽头端，抽头电阻串R1的抽头端与抽头电感L的抽头端连接。RC吸收电路并联在抽头电感L的首端与尾端之间，需要说明，本实施例中的RC吸收电路由串联连接的电阻和电容组成。

电流误差放大电路4用于对电流采样电路2的输出信号与基准源8的输出信号进行比较，其包括运算放大器41、RC滤波电路42，RC滤波电路42的一端与运算放大器41的反相输入端连接，RC滤波电路42的另一端串联一个电阻43后与运算放大器41的输出端连接。运算放大器41的同相输入端作为电流误差放大电路4的同相输入端，电阻43与RC滤波电路42的公共端作为电流误差放大电路4的输出端，电流误差放大电路4的同相输入端与基准源8的输出端连接，电流误差放大电路4的输出端串联一个二极管后连接到PWM控制器10的同相输入端，具体地，该二极管的阳极与电流误差放大电路4的输出端连接，该二极管的阴极与PWM控制器10的同相输入端连接。需要说明，本实施例中的RC滤波电路由串联连接的电阻和电容组成。

PWM控制器10用于根据电流误差放大电路4或电压误差放大电路6的比较结果工作在关断状态或输出PWM控制脉冲信号，其输出端与功率开关Q1的控制端连接。本实施例中，PWM控制器10的输出端与功率开关Q1的控制端之间还串联有一个电阻。本实施例中的PWM控制器可以选用德州仪器公司的UC1842。

电压采样电路5用于对BUCK电路的滤波电容C两端的电压进行采样，其包括两个信号采集端和一个用于输出电压值的输出端。具体地，电压采样电路5为抽头电阻串R2，本实施例中，抽头电阻串R2由4个电阻串联而成，其中选择两个电阻的公共端作为抽头端，抽头电阻串R2的抽头端作为电压采样电路5的输出端与电压误差放大电路6的同相输入端连接。

电压误差放大电路6用于将电压采样电路5的输出电压值与基准源9的输出电压进行比较，其包括运算放大器61、RC滤波电路62，RC滤波电路62的一端与运算放大器61的反相输入端连接，RC滤波电路62的另一端串联一个电阻63后与运算放大器61的输出端连接。运算放大器61的同相输入端作为电压误差放大电路6的同相输入端，电阻63与RC滤波电路62的公共端作为电压误差放大电路6的输出端，电压误差放大电路6的反相输入端与基准源9连接，电压误差放大电路6的输出端与单稳态电路7的输入端连接。

单稳态电路7的输入端与电压误差放大电路6的输出端连接，单稳态电路7的输出端串联一个二极管后与PWM控制器10的同相输入端连接。具体地，本实施例中，采用RS触发器实现单稳态电路7，RS触发器的R端(即置“1”端)作为单稳态电路7的输入端，RS触发器的Q端(即正输出端)作为单稳态电路7的输出端。

在使用本实施例提供的直流电源脉冲负载适配器时，将其输出端与负载11连接。具体地，负载11可以是电机。

下面对本实施例的工作原理进行说明。

本实施例中的直流电源脉冲负载适配器在不同的情况下可以工作在不同的模式，具体地包括恒流启动模式和负载开路续流模式，其中恒流启动模式为：当直流电源1启动或负载11启动时，保障恒流输出；负载开路续流模式为：当直流电源1关断、负载11同步开路或负载11异步开路时，提供主动续流，保障后级电压的稳定输出。

下面说明恒流启动模式的工作原理。

直流电源1启动时，直流电源1对BUCK电路的滤波电容C充电，由于滤波电容C在初始条件下的端电压为0，上电瞬间直流电源1处于短路状态，电压呈指数曲线下降，直到滤波电容C上的电压与直流电源1电压相等，电流才会衰减到0，此时启动电流误差放大电路4，将启动电流限定在设备给定的安全运行范围内的电流，由于输入回路电感器与寄生电感的存在，电流变化曲线也存在相应的线性关系。具体地，当直流电源1启动时，其输出电流从0上升到额定值，电流采样电路2将电流变化量转换成电压值传送到电流误差放大电路4的反相输入端，电流误差放大电路4将电流采样电路2的输出电压与给定基准源8的电压进行比较，只要电流采样电路2输出电压大于基准源8的输出电压值，电流误差放大电路4输出一个低电平信号，PWM控制器10工作在关断状态，即停止输出PWM驱动脉冲信号，此时BUCK电路的功率开关Q1开路，前级输入电流立刻降低至0，电流采样电路2的电流互感器感应到的电流为0，电流采样电路2的输出电压为0，由于电流误差放大电路4的基准电压(即基准电源8的输出电压)保持不变，此时电流误差放大电路4的输出为高电平，同时PWM控制器10才能够输出PWM控制脉冲信号(但是必须等到下个时钟周期才能输出PWM控制脉冲信号)，BUCK电路的功率开关Q1再次打开，输入直流电源1又开始对BUCK电路的滤波电容C充电，在充电过程中，滤波电容C两端的电压逐渐升高，电流变化率越来越小，电流采样电路2输入的电压信号越来越小，电流误差放大电路4的输出高电平持续时间越来越长，随着输出电流接近直流电流，BUCK电路的功率开关Q1将自动完全导通，本实施例中的直流电源脉冲负载适配器将进入直流稳压状态。

当本发明实施例所提供的直流电源脉冲负载适配器与负载11连接后，直流电源脉冲负载适配器的输出电流会突然增加，其输入电流也同时增加，电流误差放大电路4输出一个高电平信号，再次迫使PWM控制器10工作在关断状态，为了保障本发明实施例所提供的直流电源脉冲负载适配器的带载能力，可以使用电压误差放大电路6进行双重控制，具体地，随着BUCK电路的滤波电容C两端的电压升高，电压采样电路5的输出端的输出信号的电压值逐渐升高，电压误差放大电路6的同相输入端的电压越来越高，在反相输入端的电压(基准源9的电压)保持不变的情况下，电流误差放大电路6输出置位电平，单稳态电路7中的RS触发器的输出端保持高电平，使PWM控制器10的同相输入端的电流电压同时稳定，因为电流误差放大电路4和电压误差放大电路6的输出都串联有一个二极管，这实际形成了一个简易的或门电路，因此，电流误差放大电路4和电压误差放大电路6中，只要有一个电路的输出是高电平，PWM控制器就输出高电平直到占空比为100％为止。

下面说明负载开路续流模式的工作原理。

当负载11瞬间开路时，续流电路3与抽头电感L形成的续流回路断开，续流二极管D无法对抽头电感L续流，在负载11断开瞬间，电流从额定值瞬间突变到0，由于抽头电感L的Q值的影响，BUCK电路的滤波电容C会受到成倍高电压冲击，特别地，当负载11是开关型负载而频繁工作在开路与通路两个状态时，抽头电感L尾端的电流波为锯齿状，输出电压会出现成倍的反向峰值电压。本实施例中，当负载11突然断开时，负载电流突变到0，此时当抽头电感L上的反向峰值电压大于输入电压时，抽头电感L的抽头端能够提供一个触发脉冲使可控硅Q2导通，从而与续流二极管D形成续流回路，直到抽头电感L两端的电压相等，此时可控硅Q2自动关断；负载11接通后，直流电源1开始对负载11供电，抽头电感L的首端电压大于尾端电压，可控硅Q2同样自动关断，抽头电感L与负载11形成负载续流回路。因此，不论直流电源1启动开关开通与截止，都不影响抽头电感L的降压续流功能。

下面采用实施例一进行试验。

试验一、重载开路试验

试验条件：直流电源为等离子表面氮化电源，等离子表面氮化电源在故障保护时的电压、电流关系，其中故障保护包括：短路保护(逆变桥开路)、过压保护(逆变桥开路)、过温保护(逆变桥开路)。

表1重载开路试验结果

试验二、重载启动试验

试验条件：将负载与本实施例提供的直流电源脉冲负载适配器连接，负载为额定功率3kW、额定电压275V，转速7200转/分钟的无极调速电机，监测电枢电流电压变化过程。监测结果如下表所示。

表2重载启动试验结果

从以上实验数据可以看出，直流电源恒流启动过程中，电容上电流的变化极差小于1.5％，输出负载开路过程中，抽头电感中电压变化极差小于1％，所以本发明实施例不仅解决了BUCK电路的电容上的电流突变现象，还解决了BUCK电路的抽头电感上的电压突变现象。总之，本发明实施例解决了直流电源的开机启动时的电流冲击问题与负载开路时的电压突变问题，可以适用于任何直流电源的脉动负载。

Claims (10)

1.一种直流电源脉冲负载适配器，包括直流电源，其特征在于还包括：

BUCK电路，其包括功率开关、抽头电感、滤波电容，所述功率开关的输入端与电流采样电路的一端连接，所述抽头电感的首端与功率开关的输出端连接，所述滤波电容的一端与抽头电感的尾端连接，所述滤波电容的另一端与直流电源的负极连接；

电流采样电路，其串联在直流电源的正极与BUCK电路的功率开关之间，其输出端与电流误差放大电路的反相输入端连接；

电流误差放大电路，其同相输入端与第一基准源连接，其输出端与PWM控制器的同相输入端连接；

续流电路，其包括可控硅、续流二极管和第一抽头电阻串，所述第一抽头电阻串并联在抽头电感的首端与尾端之间，所述第一抽头电阻串的抽头端与抽头电感的抽头端、可控硅的控制极连接，所述可控硅的阳极、可控硅的阴极、续流二极管相互串联；

PWM控制器，其输出端与BUCK电路的功率开关的控制端连接；

第一基准源。

2.根据权利要求1所述的直流电源脉冲负载适配器，其特征在于还包括：

电压采样电路，其并联在所述直流电源脉冲负载适配器的输出端，所述电压采样电路的输出端与电压误差放大电路的同相输入端连接；

电压误差放大电路，其反相输入端与第二基准源连接；

单稳态电路，其输入端与电压误差放大电路的输出端连接，其输出端与PWM控制器的同相输入端连接；

第二基准源。

3.根据权利要求1所述的直流电源脉冲负载适配器，其特征在于所述可控硅、续流二极管、抽头电感的连接方式为：

所述可控硅的阳极与续流二级管的负极连接，所述续流二极管的正极与抽头电感的尾端连接，所述可控硅的阴极与抽头电感的首端连接；或

所述可控硅的阴极与续流二级管的正极连接，所述续流二极管的负极与抽头电感的尾端连接，所述可控硅的阳极与抽头电感的首端连接。

4.根据权利要求1所述的直流电源脉冲负载适配器，其特征在于所述第一基准源为基准电流源。

5.根据权利要求2所述的直流电源脉冲负载适配器，其特征在于所述电流误差放大电路的输出端与PWM控制器的同相输入端之间、单稳态电路的输出端与PWM控制器的同相输入端之间均串联有二极管。

6.根据权利要求2所述的直流电源脉冲负载适配器，其特征在于所述电压采样电路为第二抽头电阻串，所述第二抽头电阻串的抽头端作为电采样电路的输出端与电压误差放大电路的同相输入端连接。

7.根据权利要求2所述的直流电源脉冲负载适配器，其特征在于所述第二基准源为基准电压源。

8.根据权利要求1所述的直流电源脉冲负载适配器，其特征在于所述电流采样电路包括电流传感器、负载电阻、桥式整流器，

所述电流传感器的一端与直流电源的正极连接，其另一端与BUCK电路的功率开关的输入端连接；

所述负载电阻、桥式整流器均并联在电流互感器的两端，所述桥式整流器的输出端作为电流采样电路的输出端与电流误差放大电路的反相输入端连接。

9.根据权利要求8所述的直流电源脉冲负载适配器，其特征在于所述电流传感器为电流互感器。

10.根据权利要求1至9中任一所述的直流电源脉冲负载适配器，其特征在于还包括第一RC吸收电路和第二RC吸收电路，所述第一RC吸收电路并联在BUCK电路的功率开关的输入端与输出端之间，所述第二RC吸收电路并联在BUCK电路的抽头电感的首端与尾端之间。