CN112000167A - 一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源 - Google Patents
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Abstract
一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，涉及电源技术领域，如何如何设计可多路并联的、输出电流可达千安级、脉冲上升速度在微秒级高速大电流脉冲式恒流源问题；通过多路输出单独控制，由DSP控制器发出SPI信号，统一下发相同给定脉冲信号，输入到脉冲信号发生源电路，保证恒流源电流均流；主电路多个霍尔电流传感器分别采样多个IGBT发射极输出电流作为反馈信号输入到脉冲恒流源控制电路与给定信号作比较，用于控制驱动电压，使主电路中多个IGBT均工作于线性区，对输出电流大小及脉冲宽度进行控制，达到恒流输出；控制信号EN通过同一I/O口统一控制脉冲信号开通及关断，保证控制信号上升沿时序一致性，实现多路IGBT并联、输出电流达到千安级别。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体来说是一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源。
背景技术
恒流源指能输出的电流不随自身阻值的变化和外部电压波动而改变的一直电流源，脉冲式恒流源在半导体测试，激光二极管，超导体等测试中。目前市场上普遍存在的脉冲式恒流源电流不高，脉冲上升沿时间比较慢，而随着科技的发展和进步，类似于半导体的领域存在的型号众多、电流高达几千A，对脉冲式恒流源提出很高的要求，因此研究一种新型的可多路并联、超高速、脉冲式、大电流恒流源具有很高的前沿性和重要性。
理想的恒流源应该具有以下特点：不因负载(输出电压)变化而改变；不因环境温度变化而改变；内阻为无限大(以使其电流可以全部流出到外面)。能够提供恒定电流的电路即为恒流源电路，又称为电流反射镜电路。
基本的恒流源电路主要是由输入级和输出级构成，输入级提供参考电流，输出级输出需要的恒定电流。构成恒流源电路的基本原则：恒流源电路就是要能够提供一个稳定的电流以保证其它电路稳定工作的基础。即要求恒流源电路输出恒定电流，因此作为输出级的器件应该是具有饱和输出电流的伏安特性。这可以采用工作于输出电流饱和状态的BJT或者MOSFET来实现。
为了保证输出晶体管的电流稳定，就必须要满足两个条件：a)其输入电压要稳定——输入级需要是恒压源；b)输出晶体管的输出电阻尽量大(最好是无穷大)——输出级需要是恒流源。
对于输入级器件的要求：因为输入级需要是恒压源，所以可以采用具有电压饱和伏安特性的器件来作为输入级。一般的pn结二极管就具有这种特性——指数式上升的伏安特性；另外，把增强型MOSFET的源-漏极短接所构成的二极管，也具有类似的伏安特性——抛物线式上升的伏安特性。在IC中采用二极管作为输入级器件时，一般都是利用三极管进行适当连接而成的集成二极管，因为这种二极管既能够适应IC工艺，又具有其特殊的优点。对于这些三极管，要求它具有一定的放大性能，这才能使得其对应的二极管具有较好的恒压性能。
对于输出级器件的要求：如果采用BJT，为了使其输出电阻增大，就需要设法减小Evarly效应(基区宽度调制效应)，即要尽量提高Early电压。如果采用MOSFET，为了使其输出电阻增大，就需要设法减小其沟道长度调制效应和衬偏效应。因此，这里一般是选用长沟道MOSFET，而不用短沟道器件。
现有技术中，申请号为201610908411.X公开日期为2017年2月22日的中国发明专利申请《超高速大电流脉冲式恒流源》通过与电源并联大电容，使负载工作初期主要由电容储存的能量提供，给负载提供一个微秒级别的上升沿；同时，与负载串联一个大功率达林顿管，保证负载通过几百安的脉冲式电流，也能保护负载工作在安全电流模式下。
虽然，上述专利申请能根据不同需求产生相应脉宽和幅值的恒流脉冲，可适用于电阻、LED等负载，结构简单、功能稳定、安全可靠，具有上升沿更快(几十微秒)、电流更大(几百安)等特点，但是其输出电流只达到百安级别，且已公开的恒流源的文献中，还没有可多路并联的、电流幅值达千安级、上升时间达到微秒级的脉冲式的恒流源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何设计一种可多路并联的、输出电流可达千安级、脉冲上升速度在微秒级的高速大电流脉冲式恒流源。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，包括主电路(S11)、脉冲恒流源控制电路(S12)、脉冲信号发生源(S13)电路、DSP控制器(S14)；所述的主电路(S11)包括直流电源DC5、电容C，多个IGBT，多个霍尔电流传感器以及负载；多个IGBT并联，多个IGBT的发射极分别连接在直流电源DC5的正极、集电极分别连接在负载的一端，负载的另一端连接在直流电源DC5的负极；所述的DSP控制器(S14)发出SPI信号以及控制信号EN输入到脉冲信号发生源(S13)电路；所述的脉冲信号发生源(S13)电路与脉冲恒流源控制电路(S12)连接，用于向脉冲恒流源控制电路(S12)发送多路独立的幅值、脉宽及频率可调的PWM信号源作为给定信号；脉冲恒流源控制电路(S12)的多路独立的输出分别与主电路(S11)的多个IGBT的门极对应连接；主电路(S11)的多个霍尔电流传感器分别采样多个IGBT的发射极输出电流作为反馈信号输入到脉冲恒流源控制电路(S12)与给定信号作比较，用于控制驱动电压，使主电路(S11)中的多个IGBT均工作于线性区，对输出电流大小及脉冲宽度进行控制，达到恒流输出。
采用多路并联达到千安级别的恒流输出的难点在于如何实现均流，控制信号上升沿时间为微秒级，难以保证控制信号上升沿的一致性，以及对每一路电流大小控制的精准度；本发明的技术方案通过多路输出单独控制，由DSP控制器(S14)发出SPI信号，统一下发相同的给定电压信号，输入到脉冲信号发生源(S13)电路，保证恒流源电流的均流；主电路(S11)的多个霍尔电流传感器分别采样多个IGBT的发射极输出电流作为反馈信号输入到脉冲恒流源控制电路(S12)与给定信号作比较，用于控制驱动电压，使主电路(S11)中的多个IGBT均工作于线性区，对输出电流大小及脉冲宽度进行控制，达到恒流输出；控制信号EN通过同一I/O口统一控制脉冲信号的开通及关断，保证控制信号上升沿的一致性，实现了多路IGBT并联，输出电流达到千安级别。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的脉冲恒流源控制电路(S12)包括结构相同的多路IGBT驱动电路，所述的多路IGBT驱动电路的输出端分别对应的与多个IGBT的门极连接。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的IGBT驱动电路包括一个运算放大器一个直流电源，一个PNP型三极管和一个NPN型三极管，一个驱动电阻；所述的直流电源为运算放大器供电，运算放大器构成比例积分调节器，NPN型三极管和NPN型三极管构成推挽驱动电路，NPN型三极管的集电极、NPN型三极管的发射极分别接在直流电源的正负极之间，所述的推挽驱动电路的输入端与比例积分调节器的输出端连接，推挽驱动电路的输出端连接在驱动电阻的一端，驱动电阻的另一端作为IGBT驱动电路的输出端口与对应的IGBT的门极连接。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的脉冲信号发生源(S13)电路包括多路结构相同的独立PWM信号源电路，多路独立PWM信号源电路的输出端分别输出幅值、脉宽及频率可调的多路PWM信号源，分别输入到对应的多路IGBT驱动电路中的比例积分调节器的一个输入端，作为给定信号；比例积分调节器的另一个输入端，分别与主电路的多个霍尔电流传感器的输出端连接，用于输入霍尔电流传感器的采样电流，作为反馈信号。
作为本发明技术方案的进一步改进，每个所述的独立PWM信号源电路包括一个数字隔离转换芯片，一个数模转换芯片，一个为高速光耦，SPI信号经过数字隔离转换芯片隔离变换后输入到数模转换芯片中，经过数模转换芯片变换为幅值可控的模拟电压；控制信号EN通过高速光耦隔离产生隔离的使能信号，来控制数模转换芯片的通断，实现控制PWM信号的脉宽及频率。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的电容C包括多个凯普松63V/22000uF电解电容以及多个EACO700V/845uF的薄膜电容，所述的多个电解电容与多个薄膜电容并联。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的多个IGBT的型号为英飞凌FF600R12ME4。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的多个霍尔电流传感器的型号为莱姆传感器LF-505S。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的运算放大器的型号为ADA4610-1、PNP型三极管的型号为FTZ951、NPN型三极管的型号为FZT851。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的数字隔离转换芯片的型号为ADUM1401、数模转换芯片的型号为DAC8830、高速光耦的型号为6N137。
本发明的优点在于：
(1)本发明的技术方案通过多路输出单独控制，由DSP控制器(S14)发出SPI信号，统一下发相同的给定电压信号，输入到脉冲信号发生源(S13)电路，保证恒流源电流的均流；主电路(S11)的多个霍尔电流传感器分别采样多个IGBT的发射极输出电流作为反馈信号输入到脉冲恒流源控制电路(S12)与给定信号作比较，用于控制驱动电压，使主电路(S11)中的多个IGBT均工作于线性区，对输出电流大小及脉冲宽度进行控制，达到恒流输出；控制信号EN通过同一I/O口统一控制脉冲信号的开通及关断，保证控制信号上升沿的一致性，实现了多路IGBT并联，输出电流达到千安级别。
(2)运算放大器构成比例积分调节器，其调节速度可达21V/us，具有调节速度快、低失调电压、低温漂的特点；
(3)NPN型三极管和NPN型三极管构成推挽驱动电路，推挽驱动电路增强了驱动能力；推挽驱动电路的输出与驱动电阻连接，提高了驱动电压的上升速度。
(4)叠层母排上多个大电解电容并联放电，减小线路上的寄生电感，实现上升的微秒级，实现电路主回路的低ESR、低感抗。
(5)霍尔电流传感器的电流采样采用高边隔离采样减小了采样的干扰，易于实现控制的精准度。
(6)采用DSP而非FPGA来实现，成本更低，方案更简洁易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例的一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，包括主电路(S11)、脉冲恒流源控制电路(S12)、脉冲信号发生源(S13)电路；所述的脉冲信号发生源(S13)电路与脉冲恒流源控制电路(S12)连接，用于向脉冲恒流源控制电路(S12)发送幅值、脉宽及频率可调的PWM信号源，作为给定信号；脉冲恒流源控制电路(S12)的多路输出分别与主电路(S11)的多个IGBT对应连接，主电路(S11)的多个IGBT的发射极输出电流作为反馈信号输入到脉冲恒流源控制电路(S12)，给定信号与反馈信号作比较，采用比例积分调节器控制驱动电压，使主电路(S11)中的多个IGBT均工作于线性区，实现对输出电流大小及脉冲宽度的控制，达到恒流输出。
所述的主电路(S11)包括直流电源DC5、电容C，多个IGBT，本实施例中采用四个IGBT并联，分别为第一IGBT至第四IGBT，多个霍尔电流传感器，分别为第一霍尔电流传感器至第四霍尔电流传感器以及负载；电容C的两端并联在直流电源DC5的正负极之间；第一IGBT的发射极、第二IGBT的发射极、第三IGBT的发射极以及第四IGBT的发射极均连接在直流电源DC5的正极，第一IGBT的集电极、第二IGBT的集电极、第三IGBT的集电极以及第四IGBT的集电极均连接在负载的一端，负载的另一端连接在直流电源DC5的负极；所述的第一霍尔电流传感器至第四霍尔电流传感器分别用于采样第一IGBT至第四IGBT的发射极输出电流，反馈给脉冲恒流源控制电路(S12)，通过脉冲恒流源控制电路(S12)中驱动电压的控制，使主电路(S11)中的多个IGBT均工作于线性区，实现对输出电流大小及脉冲宽度的控制，达到恒流输出；采用高边隔离采样减小了采样的干扰，易于实现控制的精准度。
直流电源DC5给电容C充电，直流电源DC5为48V电压电源，电容C由多个凯普松63V/22000uF的电解电容以及多个EACO的700V/845uF的薄膜电容并联组成，通过叠层母排上多个大电解电容并联放电，减小线路上的寄生电感，实现上升的微秒级，实现电路主回路的低ESR(Equivalent Series Resistance，电容的等效串联电阻)、低感抗。
第一IGBT至第四IGBT采用英飞凌FF600R12ME4，使得每一路的输出电流更大，从而使输出电流达到千安级，且有利于控制每一路的上升沿时间，以减小电流开通时电流的超调；第一霍尔电流传感器至第四霍尔电流传感器采用莱姆传感器LF-505S；负载为功率半导体或者电阻。
所述的脉冲恒流源控制电路(S12)包括结构相同的四路IGBT驱动电路，四路IGBT驱动电路的输出端分别与第一IGBT的门极、第二IGBT的门极、第三IGBT的门极以及第四IGBT的门极连接。
以其中第一路IGBT驱动电路为例具体说明：第一路IGBT驱动电路包括一个运算放大器U1，其型号为ADA4610-1；一个直流电源DC1，其电压为±15V；一个PNP型三极管Q1和一个NPN型三极管Q2，三极管Q1的型号为FTZ951、三极管Q2的型号为FZT851；一个驱动电阻R1；所述的直流电源DC1为运算放大器U1供电，运算放大器U1构成比例积分调节器，其调节速度可达21V/us，具有调节速度快、低失调电压、低温漂的特点；三极管Q1和三极管Q2构成推挽驱动电路，三极管Q2的集电极、三极管Q1的发射极分别接在直流电源DC1的正负极之间，所述的推挽驱动电路的输入端与比例积分调节器的输出端连接，推挽驱动电路的输出端连接在驱动电阻R1的一端，驱动电阻R1的另一端作为第一路IGBT驱动电路的输出端口对应的与所述的第一IGBT的门极连接；所述的推挽驱动电路增强了驱动能力；驱动电阻R1提高了驱动电压的稳定性。
脉冲信号发生源(S13)电路包括四路结构相同的独立PWM信号源电路，四路独立PWM信号源电路的输出端分别输出幅值、脉宽及频率可调的四路PWM信号源，分别为PWM1至PWM4；PWM1至PWM4分别输入到对应的四路IGBT驱动电路中的比例积分调节器的一个输入端，作为给定信号；比例积分调节器的另一个输入端，分别与主电路的第一霍尔电流传感器至第四霍尔电流传感器输出端连接，用于输入霍尔电流传感器的采样电流，作为反馈信号。
以其中第一路独立PWM信号源电路为例具体说明：第一路独立PWM信号源电路包括一个数字隔离转换芯片U5，其型号为ADUM1401；一个数模转换芯片U9，其型号为DAC8830；一个为高速光耦U13，其型号为6N137；DSP(Digital Signal Process，数字信号处理)控制器(S14)发出SPI信号以及控制信号EN；SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口，一种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线)信号包括CS/SDI/SDO/CLK信号，SPI信号经过数字隔离转换芯片U5隔离变换后输入到数模转换芯片U9中，经过数模转换芯片U9变换为幅值可控的模拟电压；控制信号EN通过高速光耦U13隔离产生隔离的使能信号，来控制数模转换芯片U9的通断，实现控制PWM信号的脉宽及频率；采用DSP而非FPGA来实现，成本更低，方案更简洁易于实现。
采用多路并联达到千安级别的恒流输出的难点在于如何实现均流，控制信号上升沿时间为微秒级，难以保证控制信号上升沿的一致性，以及对每一路电流大小控制的精准度；本技术方案通过多路输出单独控制，由DSP统一下发相同的给定电压信号，保证恒流源电流的均流；通过同一I/O口统一控制脉冲信号的开通及关断，保证控制信号上升沿的一致性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，其特征在于，包括主电路(S11)、脉冲恒流源控制电路(S12)、脉冲信号发生源(S13)电路、DSP控制器(S14)；所述的主电路(S11)包括直流电源DC5、电容C，多个IGBT，多个霍尔电流传感器以及负载；多个IGBT并联，多个IGBT的发射极分别连接在直流电源DC5的正极、集电极分别连接在负载的一端，负载的另一端连接在直流电源DC5的负极；所述的DSP控制器(S14)发出SPI信号以及控制信号EN输入到脉冲信号发生源(S13)电路；所述的脉冲信号发生源(S13)电路与脉冲恒流源控制电路(S12)连接，用于向脉冲恒流源控制电路(S12)发送多路独立的幅值、脉宽及频率可调的PWM信号源作为给定信号；脉冲恒流源控制电路(S12)的多路独立的输出分别与主电路(S11)的多个IGBT的门极对应连接；主电路(S11)的多个霍尔电流传感器分别采样多个IGBT的发射极输出电流作为反馈信号输入到脉冲恒流源控制电路(S12)与给定信号作比较，用于控制驱动电压，使主电路(S11)中的多个IGBT均工作于线性区，对输出电流大小及脉冲宽度进行控制，达到恒流输出。
2.根据权利要求1所述的一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，其特征在于，所述的脉冲恒流源控制电路(S12)包括结构相同的多路IGBT驱动电路，所述的多路IGBT驱动电路的输出端分别对应的与多个IGBT的门极连接。
3.根据权利要求2所述的一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，其特征在于，所述的IGBT驱动电路包括一个运算放大器一个直流电源，一个PNP型三极管和一个NPN型三极管，一个驱动电阻；所述的直流电源为运算放大器供电，运算放大器构成比例积分调节器，NPN型三极管和NPN型三极管构成推挽驱动电路，NPN型三极管的集电极、NPN型三极管的发射极分别接在直流电源的正负极之间，所述的推挽驱动电路的输入端与比例积分调节器的输出端连接，推挽驱动电路的输出端连接在驱动电阻的一端，驱动电阻的另一端作为IGBT驱动电路的输出端口与对应的IGBT的门极连接。
4.根据权利要求3所述的一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，其特征在于，所述的脉冲信号发生源(S13)电路包括多路结构相同的独立PWM信号源电路，多路独立PWM信号源电路的输出端分别输出幅值、脉宽及频率可调的多路PWM信号源，分别输入到对应的多路IGBT驱动电路中的比例积分调节器的一个输入端，作为给定信号；比例积分调节器的另一个输入端，分别与主电路的多个霍尔电流传感器的输出端连接，用于输入霍尔电流传感器的采样电流，作为反馈信号。
5.根据权利要求4所述的一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，其特征在于，每个所述的独立PWM信号源电路包括一个数字隔离转换芯片，一个数模转换芯片，一个为高速光耦，SPI信号经过数字隔离转换芯片隔离变换后输入到数模转换芯片中，经过数模转换芯片变换为幅值可控的模拟电压；控制信号EN通过高速光耦隔离产生隔离的使能信号，来控制数模转换芯片的通断，实现控制PWM信号的脉宽及频率。
6.根据权利要求1所述的一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，其特征在于，所述的电容C包括多个凯普松63V/22000uF电解电容以及多个EACO700V/845uF的薄膜电容，所述的多个电解电容与多个薄膜电容并联。
7.根据权利要求1所述的一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，其特征在于，所述的多个IGBT的型号为英飞凌FF600R12ME4。
8.根据权利要求1所述的一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，其特征在于，所述的多个霍尔电流传感器的型号为莱姆传感器LF-505S。
9.根据权利要求3所述的一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，其特征在于，所述的运算放大器的型号为ADA4610-1、PNP型三极管的型号为FTZ951、NPN型三极管的型号为FZT851。
10.根据权利要求5所述的一种多路并联的超高速低压大电流脉冲式恒流源，其特征在于，所述的数字隔离转换芯片的型号为ADUM1401、数模转换芯片的型号为DAC8830、高速光耦的型号为6N137。
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