CN107885128A - 基于交错式pwm的连续可调大功率阻性负载 - Google Patents

基于交错式pwm的连续可调大功率阻性负载 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PWM的交错式连续可调大功率阻性负载，所述***主要包括功率线路、控制线路和控制算法三部分，其特征在于：所述功率线路包括滤波线路和PWM开关型功率线路；所述控制线路包括DSP或MCU线路、功率管驱动线路、电压电流检测线路和辅助供电线路；所述控制算法根据要求的阻值或功率换算出开关管导通的时间，从而控制接入线路的电阻来改变输入电压或电流，达到对负载阻值连续调整的目的。本发明的优点在于:实现了负载可控，有效解决了传统程控负载调整不连续性、负载不能充分利用等问题，可用于大功率场合。

Description

基于交错式PWM的连续可调大功率阻性负载
技术领域
本发明涉及一种大功率连续可调的电子负载装置，尤其涉及一种基于脉宽调制的交错式连续可调大功率负载电路及其控制算法。
背景技术
可控测试负载主要分为程控电阻性负载和电子负载，程控负载主要通过开关器件控制电阻的接入或断开，从而实现电阻的可控性。程控负载根据接入方式不同可分为电阻并联式和电阻串联式，电阻串联式的程控负载如图1所示，微控制器根据需要发送信号，通过驱动线路控制开关器件的导通和关断，开关断开时电阻接入线路，而当开关闭合时电阻被短路，相当于电阻不接入。电阻并联式的程控负载如图2所示，其工作原理与电阻串联式类似，开关闭合时电阻接入。这种可控负载存在的主要问题：
1）阻值不能连续可调，阻值间隔取决于单个电阻的阻值；
2）负载功率不能充分利用，当其中的一些电阻被去掉时，负载的总的承受功率大幅下降。
电子负载线路结构如图3所示，利用晶体管线性区，通过控制基极的电流实现对集电极和发射极电流的控制，或者利用MOSFET线性区，通过控制栅极的电压实现对漏极和源极电流的控制，从而实现对负载电阻可调的模拟。电子负载具有连续可调性，但其最大缺点为难以用于较大功率，其功率完全被功率器件消耗，器件具有较高温度，因此对于器件要求较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是使得负载具有上述负载的优点，同时避免二者所具有的缺点，提出了一种基于PWM的交错式连续可调大功率负载线路，有效解决了传统程控负载调整不连续性负载不能充分利用等问题，也解决了电子负载的功率限制等问题，本发明所设计的负载可用于大功率场合，同时具有负载阻值大范围连续可调、负载功率充分利用等优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于PWM的交错式连续可调大功率负载，如图2所示，***有功率线路和控制线路组成，功率线路包括滤波线路和PWM开关型功率线路；控制线路包括CPU核心线路、检测线路、驱动线路和辅助供电线路。
所述PWM开关型功率线路有各负载支路并联而成，各负载支路则由负载电阻与开关管串联形成。
所述滤波线路则有电容和电感组成，负责滤掉开关型负载支路的波动，若供电源为电压源则采用LC滤波，电流源则采用电容进行滤波。
所述CPU核心线路由MCU或FPGA、AD芯片等组成，负责算法的执行。
所述检测线路由互感器和运放等组成，负责输入电压和电流的检测。
所述功率管驱动线路由光耦和驱动器件组成，负责信号的隔离和功率驱动。
所述辅助供电线路则负责为MCU、驱动线路、检测线路等供电。
所述控制算法，负载在所有开关断开时取得最大阻值，阻值为无穷大；在所有开关完全闭合时取得负载阻值的最小值，阻值为所有负载电阻的并联值；随着开关管驱动信号导通的占空比从100%-0变化，可实现负载阻值从最小值到最大值连续变化。根据要求的电阻值或功率换算出电阻支路开关管在一个周期内需要导通的时间，调节各支路开关导通时间，实现对输入电流的控制，等效于对负载电阻的连续调整。各负载支路间开关管的开关采用相位交错方式，从而减少负载电流的纹波，降低***输入端滤波线路的要求。
具体工作流程：首先检测输入电压和输入电流，输入电压除以输入电流得到实时的线路等效电阻，等效电阻与要求电阻进行比较得到其偏差值，经过对偏差值进行补偿运算得到所需脉宽的调整量，这一调整量经过驱动线路后调整功率管的导通时间，进一步调整输入电流或输入电压，从而减小线路等效电阻和要求阻值的偏差值。总之，当要求电阻变化时，通过调整脉宽使得输入电流或电压变化，当输入为恒压源是则调整输入电流，而输入为恒流源时在调整输入电压，使得线路等效电阻跟踪设定值变化，实现调整负载阻值的目的。
本发明的有益效果是：
本发明采用基于PWM的交错式连续可调大功率负载，与可调整负载相比，具有以下优势：
（1）负载等效阻值连续可调，能更好满足需要。
（2）具有较大的负载功率，远大于电子负载的功率特性。
（3）线路大大降低对负载开关管的耐压和温度要求，因为电子负载功率管是主要发热器件，而该线路功率管只负责负载电阻的通和断，非主要发热器件。
（4）线路具有较小的纹波，由于采用多路负载交错导通，大大减小了输入电流的纹波。
附图说明：
图1电阻串联式程控负载；
图2 电阻并联式程控负载；
图3 电子负载线路结构图；
图4 为本发明的基于PWM的交错式连续可调大功率负载。
具体实施方式
下面结合附图与实例对本发明做进一步说明：
图1电阻串联式程控负载，功率线路由多个电阻串联而成，每个电阻与开关器件并联连接，开关器件是继电器或功率开关器件，根据控制线路逻辑驱动开关器件导通或闭合，当开关器件闭合时电阻被旁路，电阻无电流流过。根据功率线路接入不同数量的电阻，从而调整整体负载阻值大小。
图2电阻并联式程控负载，功率线路由多条支路并联而成，每条支路中电阻与开关器件串联连接，开关器件是继电器或功率开关器件，根据控制线路逻辑驱动开关器件导通或闭合，当开关器件闭合时电阻接入功率线路，根据功率线路接入不同数量的电阻，从而调整整体负载阻值大小。
图3 电子负载线路结构图，功率回路为一个晶体管或多个晶体管并联，利用晶体管的线性控制特性，通过控制晶体管的基极电流来控制集电极和发射极间的功率电流，从而实现对于电压和电流的比值，根据需要调整等效电阻。
图4 为本发明的基于PWM的交错式连续可调大功率负载；该***有功率线路、控制线路和控制算法三部分组成。功率线路主要有滤波线路和PWM开关型功率线路两部分组成；控制线路则有检测线路、辅助供电线路、CPU核心线路和驱动线路组成；控制算法则包含数据采集、所需负载的计算和驱动信号生成等组成。
滤波线路，滤除由于可控负载的开关特性带来的纹波，线路结构根据输入源的不同而不同。当输入源为电压源时，滤波线路可以采用LC滤波或直接电容滤波；但输入源为电流源时，滤波线路则采用电容滤波。
PWM开关型功率线路，负载有多条支路并联组成，每条支路中电阻与二极管并联后再与开关管串联，电阻根据需要选定阻值和功率，开关管负责电阻的接通和断开，二极管负责绕线电阻等本身的寄生电感的续流。
检测线路，主要为输入电压和电流的检测，包含信号的隔离。线路由电压互感器、电流互感器和用于信号调理的差分放大器组成，把输入端的高电压、大电流转换为适合于CPU的低压信号。
辅助供电线路，负责为检测线路、驱动线路、CPU核心线路等提供合适的功率。通常采用反激线路拓扑，把工频的交流220V电压转换为所需的直流5V、3.3V等电压。
驱动线路，负责把CPU输出小功率信号转换为功率开关管所需的信号，具体包含隔离和功率放大两部分。
CPU核心线路，负责算法的硬件执行，以MCU、DSP或FPGA为核心，外加供电、端口转换线路、通信线路等组成。
控制算法，负载在所有开关断开时取得最大阻值，阻值为无穷大；而所有开关完全闭合时取得负载阻值的最小值，阻值为所有负载电阻的并联值；随着开关管驱动信号导通的占空比从100%-0变化，负载阻值从最小值到最大值连续变化。
根据要求的电阻值或功率换算出电阻支路开关管在一个周期内需要导通的时间，调节各支路开关导通时间，实现对输入电流的控制，等效于对负载电阻的连续调整。各负载支路间开关管的开关采用相位交错方式，从而减少负载电流的纹波，降低***输入端滤波线路的要求。
具体工作流程：首先检测输入电压和输入电流，输入电压除以输入电流得到实时的线路等效电阻，等效电阻与要求电阻进行比较得到其偏差值，经过对偏差值进行补偿运算得到所需脉宽的调整量，这一调整量经过驱动线路后调整功率管的导通时间，进一步调整输入电流或输入电压，从而减小线路等效电阻和要求阻值的偏差值。总之，当要求电阻变化时，通过调整脉宽使得输入电流或电压变化，当输入为恒压源是则调整输入电流，而输入为恒流源时在调整输入电压，使得线路等效电阻跟踪设定值变化，实现调整负载阻值的目的。

Claims (8)

1.基于PWM的交错式连续可调大功率负载，包括功率线路、控制线路和控制算法，其特征在于：所述的功率线路由负载电阻与开关管串联形成，各负载支路间并联；所述的控制回路包括DSP或MCU线路、功率管驱动线路、电压电流检测线路和辅助供电线路；所述的控制算法根据要求的电阻值或功率换算出电阻支路开关管在一个周期内需要导通的时间，调节各支路开关导通时间，实现对输入电流的控制，等效于对负载电阻的连续调整；所述的各负载支路间开关管的开关采用相位交错方式，从而减少负载电流的纹波，降低***输入端滤波线路的要求。
2.根据权利要求1所述的基于PWM的交错式连续可调大功率负载，其特征在于：所述的滤波线路结构根据输入源的不同而不同，当输入源为电压源时，滤波线路可以采用LC滤波或直接电容滤波；输入源为电流源时，滤波线路则采用电容滤波。
3.根据权利要求1所述的基于PWM的交错式连续可调大功率负载，其特征在于：所述的功率线路，负载有多条支路并联组成，每条支路中电阻与二极管并联后再与开关管串联，电阻根据需要选定阻值和功率，开关管负责电阻的接通和断开，二极管负责绕线电阻等本身的寄生电感的续流。
4.根据权利要求1所述的基于PWM的交错式连续可调大功率负载，其特征在于：所述的检测线路主要为输入电压和电流的检测，包含信号的隔离，线路由电压互感器、电流互感器和用于信号调理的差分放大器组成，把输入端的高电压、大电流信号转换为适合于CPU的低压信号。
5.根据权利要求1所述的基于PWM的交错式连续可调大功率负载，其特征在于：所述的辅助供电线路负责为检测线路、驱动线路、CPU核心线路等提供合适的功率，通常采用反激线路拓扑，把工频的交流220V电压转换为所需的直流5V、3.3V等电压。
6.根据权利要求1所述的基于PWM的交错式连续可调大功率负载，其特征在于：所述的驱动线路负责把CPU输出小功率信号转换为功率开关管所需的信号，具体包含隔离和功率放大两部分。
7.根据权利要求1所述的基于PWM的交错式连续可调大功率负载，其特征在于：所述的CPU核心线路负责算法的硬件执行，以MCU、DSP或FPGA为核心，由外加供电、端口转换线路、通信线路等组成。
8.根据权利要求1所述的基于PWM的交错式连续可调大功率负载，其特征在于：所述的控制算法负载在所有开关断开时取得负载电阻的最大值，所有开关完全闭合时取得负载电阻的最小值，阻值为所有负载电阻的并联值，随着开关管驱动信号导通的占空比从100%-0变化，可实现阻值从最小值到最大值连续变化。
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