TWI727589B

TWI727589B - 電子負載裝置

Info

Publication number: TWI727589B
Application number: TW108148729A
Authority: TW
Inventors: 洪鈞晟; 伍翔榆; 鄭倚僑; 黃建興
Original assignee: 致茂電子股份有限公司
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2021-05-11
Also published as: TW202127055A; JP2021110727A; JP7114674B2; US11073852B2; US20210200251A1

Abstract

本案係揭露一種電子負載裝置，藉由功率元件與分壓電路之間額外增設的增強型驅動電路來確保對非與控制電路耦接之功率元件的驅動能力，進而快速調整響應電壓，縮短響應期間來提高整體的響應速度，抑制暫態電壓變化也解決在負載電路上產生的訊號延遲問題，讓電子負載裝置內串聯連接之各個功率元件可以被快速驅動，降低功率元件的毀損風險，也提高了電子負載裝置的穩定度及可靠度。

Description

電子負載裝置

本發明係關於一種用於測試的裝置，更特別的是關於一種用於測試電源裝置的電子負載裝置。

在現今的各種設備中，電源裝置是不可或缺的一環，其係用於驅動設備內的各種電路單元以及維持電壓準位，電源裝置的可靠度就關係著設備的穩定性。

電子負載裝置是一種模擬出耗能狀態的設備，在電源測試領域裡，電子負載可提供各樣的測試模式，對於電源裝置的開發與製造來說，是不可或缺的測試設備。電子負載的原理主要是控制內部功率元件的導通量，藉由功率元件去耗散功率進而消耗電能，達到用電環境的模擬。

傳統上，電子負載裝置內的功率級電路採用的是單顆功率電晶體，這使得電子負載裝置的最大可操作電壓會受限於此功率電晶體本身的耐壓程度，且當採用耐壓更高的功率電晶體時，也往往導致配置單顆功率電晶體之電子負載設備的成本大幅提高。

另一種做法是採用串接的功率電晶體來達到耐壓的提升，圖1係示例一種習知具有雙功率元件的電子負載系統，在電子負載裝置10內，藉由第一功率元件12a與第二功率元件12b的串接，提高電子負載的電壓操作上限。例如：使用耐壓程度為A的第一功率元件12a，及耐壓程度為B的第二功率元件12b，經過串聯後，可將電子負載的耐壓設計提升至最高A+B的耐壓程度。

如圖1所示，當待測電源裝置20及電子負載裝置10運作時，分壓電路11基於該待測電源裝置20供應的電壓，產生施加至該第一功率元件12a的跨壓，第二功率元件12b則受控於控制電路14而被控制著內部的導通量(量占空比大小)。控制電路14基於調整控制訊號S1及電流感測電路13的反饋訊號，產生對應控制該第二功率元件12b的訊號，進而可設定出流經第一功率元件12a、第二功率元件12b、及電流感測電路13的負載電流量大小。

然而，由於整個電子負載裝置10的耐壓是透過所串接在一起的功率元件來共同承受的，亦即，所串接的各個功率元件的被打開時點就變的很重要。當部分功率元件尚未被充分開啟，部分卻已開啟的情況下，就可能造成尚未被充分開啟的功率元件必須先承受該待測電源裝置20所輸出的電壓，進而導致功率元件的損壞。

舉例來說，圖1中所示例的該第二功率元件12b的閘極係受該控制電路14的控制，該第一功率元件12a係由該分壓電路11提供分壓電壓至該第一功率元件12a的閘極。當待測電源裝置20改變電壓時，負載電路可能產生過長的暫態響應時間，這會導致藉由分壓電路11供給至該第一功率元件12a閘極的開啟電壓的速度變慢，而進一步造成該控制電路14的變動速度與驅動能力會比分壓電路11驅動的時間還來的快，衍生出該第一功率元件12a無法同步於該第二功率元件12b的被開啟狀態的問題，進而致生尚未被充分開啟的該第一功率元件12a必須先承受該待測電源裝置20所輸出的電壓的狀況。這樣的情況係令該第一功率元件12a暴露在毀損的風險當中，一旦該待測電源裝置20所輸出的電壓高於該第一功率元件12a所能承受的耐壓時，就會發生毀損，造成雙功率元件的電子負載系統失效。

本發明之一目的在於解決電子負載裝置中之暫態響應時間過長的問題。

本發明之另一目的在於令電子負載裝置具有快速提供足夠驅動力予功率元件的能力。

本發明之再一目的在於避免電子負載裝置的失效，提高穩定度及可靠度。

為達上述目的及其他目的，本發明提出一種電子負載裝置，用於藉由上迴路及下迴路耦接至一待測電源裝置，該電子負載裝置包含：耦接於該上迴路及該下迴路之間的一分壓電路；耦接於該上迴路及該下迴路之間且依序串接的複數功率元件與一電流感測電路；及耦接至該等功率元件之其一與耦接至該電流感測電路的一控制電路，其特徵在於：其餘之該等功率元件的每一者與該分壓電路之間係耦接有一增強型驅動電路，其中，該增強型驅動電路係用於在一前級區依據自該分壓電路所接收的一前級電流以及藉由輸入該增強型驅動電路的一外部電源放大該前級電流成為一後級電流，再於該增強型驅動電路的一後級區依據該後級電流生成的電壓施加至對應的功率元件。

於本發明之一實施例中，該增強型驅動電路的該前級區係包括一電流增益單元，該後級區係包括耦接於該電流增益單元與對應之功率元件間的一阻抗單元，該電流增益單元係用於將該前級電流放大為該後級電流，該阻抗單元係基於該後級電流而生成驅動對應之功率元件的該控制電壓。

於本發明之一實施例中，該增強型驅動電路更包括一電壓箝位單元，該增強型驅動電路的輸入側係定義有第一電壓位準點，該增強型驅動電路的輸出側係定義有第二電壓位準點，該電壓箝位單元係耦接於該第一電壓位準點與該第二電壓位準點之間，該電壓箝位單元係用於維持該第二電壓位準點的電壓位準等於該第一電壓位準點的電壓位準。

於本發明之一實施例中，該電壓箝位單元係用於在該第二電壓位準點的電壓位準大於該第一電壓位準點的電壓位準達一閥值時，始開啟令該第二電壓位準點接地的路徑。

於本發明之一實施例中，該等功率元件之該其一者與該控制電路之間係亦耦接有該增強型驅動電路，該等功率元件之該其一者與該控制電路之間的增強型驅動電路係用於將該控制電路所傳輸的電流進行放大，產生施加至該等功率元件之該其一者的電壓。

於本發明之一實施例中，該等功率元件、該電流感測電路、該控制電路、及各該增強型驅動電路係構成一功率級(Power Stage)，於各該增強型驅動電路與該分壓電路之間係耦接有一並聯驅動電路，該並聯驅動電路用於供複數個該功率級的並聯，用以增加該電子負載裝置的負載電流。該並聯驅動電路係可具有相同於前述電流增益單元的電路架構，用於將該分壓電路所傳輸的電流放大，提供至後端所連接的各該增強型驅動電路。

據此，本發明之實施例藉由功率元件與分壓電路之間額外增設的增強型驅動電路來確保對非與控制電路耦接之功率元件的驅動能力，進而快速調整響應電壓，縮短響應期間來提高整體的響應速度，抑制暫態變化也解決在負載電路上產生的延遲問題，即便待測電源裝置的電壓產生變化，也能讓電子負載裝置內之各個功率元件可以被快速驅動，提高電子負載裝置的穩定度及可靠度。

10:電子負載裝置

11:分壓電路

12a:第一功率元件

12b:第二功率元件

13:電流感測電路

14:控制電路

20:待測電源裝置

100:電子負載裝置

110:分壓電路

120a:第一功率元件

120b:第二功率元件

130:電流感測電路

140:控制電路

150a:增強型驅動電路

150b:增強型驅動電路

1501:電流增益單元

1503:阻抗單元

1505:電壓箝位單元

160:並聯驅動電路

200:待測電源裝置

I1:前級電流

I2:後級電流

L1:上迴路

L2:下迴路

PS2:第二功率級

PS3:第三功率級

PSn:第n功率級

V1:外部電源

V2:外部電源

Va:第一電壓位準點

Vb:第二電壓位準點

DC Source:待測電壓源

Vds1:第一功率元件的跨壓變化的曲線

Vds2:第二功率元件的跨壓變化的曲線

S1:調整控制訊號

[圖1]係為習知具有雙功率元件的電子負載系統。

[圖2]係為本發明一實施例之電子負載系統的電路示意圖。

[圖3]係為本發明一實施例之增強型驅動電路的電路示意圖。

[圖4]係為本發明另一實施例之增強型驅動電路的電路示意圖。

[圖5]係為本發明另一實施例之電子負載系統的電路示意圖。

[圖6]係為本發明再一實施例之電子負載系統的電路示意圖。

[圖7]係為習知具有雙功率元件之電子負載系統的外部電壓暫態響應時間關係圖。

[圖8]係為本發明圖5實施例之電子負載系統的外部電壓暫態響應時間關係圖。

[圖9]係為習知具有雙功率元件之電子負載系統於拉載時的響應時間關係圖。

[圖10]係為本發明圖5實施例之電子負載系統於拉載時的響應時間關係圖。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：於本文中，所描述之用語「一」或「一個」來描述單元、部件、結構、裝置、電路、系統、部位或區域等。此舉只是為了方便說明，並且對本發明之範疇提供一般性的意義。因此，除非很明顯地另指他意，否則此種描述應理解為包括一個或至少一個，且單數也同時包括複數。

於本文中，所描述之用語「包含、包括、具有」或其他任何類似用語意係非僅限於本文所列出的此等要件而已，而是可包括未明確列出但卻是所述單元、部件、結構、裝置、電路、系統、部位或區域通常固有的其他要件。

於本文中，所描述之「第一」或「第二」等類似序數之詞語，係用以區分或指關聯於相同或類似的元件或結構，且不必然隱含此等單元、部件、結構、裝置、電路、系統、部位或區域在空間上的順序。應了解的是，在某些情況或配置下，序數詞語係可交換使用而不影響本發明之實施。

於本文中，當描述電晶體的操作時，使用的用語「開啟」係指電晶體之導通模式，其中，電流可以在汲極與源極端子之間(或BJT之集極與射極之間)流動。「開啟」可以指電晶體之飽和模式或線性/電阻模式。「開啟」狀態之實例為三極管、FET之線性、飽和、或作用中模式或BJT之正向作用中或飽和模式。使用的用語「關閉」係指電晶體之非導通狀態，其中，在汲極與源極端子之間(或BJT之集極與射極之間)沒有電流流動。「關閉」狀態之實例為FET之切斷、次臨限電壓、或弱反向模式或BJT之切斷模式。

於本文中，功率元件可以是雙極性電晶體(BJT)、金氧半場效電晶體(MOSFET)、絕緣閘雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistors，IGBT)及相類似之功率元件。

請參閱圖2，係為本發明一實施例之電子負載系統的電路示意圖。電子負載系統係用於對一待測電源裝置200進行各種模式的測試，例如：定電流模式、定電壓模式、定功率模式及定電阻模式等。圖2實施例之電子負載100係藉由上迴路L1及下迴路L2來耦接至該待測電源裝置200。

該電子負載裝置100包含：一分壓電路110、一電流感測電路130、及一控制電路140。該分壓電路110係耦接於該上迴路L1及該下迴路L2之間。該電流感測電路130係同樣耦接於該上迴路L1及該下迴路L2之間，且依序串接於第一功率元件120a及第二功率元件120b之後。該控制電路140則是耦接於該第二功率元件120b與該電流感測電路130之間，藉由該電流感測電路130回饋的感測結果訊號以及***作的一調整控制訊號S1，調整流經該第一功率元件120a及該第二功率元件120b的負載電流。

如圖2所示，該第一功率元件120a與該分壓電路110之間係耦接有一增強型驅動電路150a。該增強型驅動電路150a係具有一前級區及一後級區。該前級區係接收自該分壓電路110所提供的一前級電流。該前級區並藉由輸入至該增強型驅動電路150a的一外部電源V1，將該前級電流放大為一後級電流。該增強型驅動電路150a再於該後級區中，依據該後級電流產生一電壓，並施加至該第一功率元件120a。

其中，在該增強型驅動電路150a的作用下，施加至該第一功率元件120a的該電壓係可基於電流的放大增益效應下，被快速地生成，進而可在該待測電源裝置200送出電源至功率元件的當下，即時地打開功率元件，令串聯連接的各個功率元件皆可有效提供各自的耐壓能力，達到該電子負載裝置100之整體耐壓程度被提升的效果。

接著請同時參閱圖2及圖3，圖3係為本發明一實施例之增強型驅動電路的電路示意圖。該增強型驅動電路150a的該前級區係包括一電流增益單元1501，該後級區係包括一阻抗單元1503。該阻抗單元1503係耦接於該電流增益單元1501與對應之功率元件120a之間。

該電流增益單元1501係基於該前級電流I1的輸入來產生該後級電流I2。該後級電流I2流經做為該後級區的阻抗單元1503(例如：電阻)，進而生成對該第一功率元件120a產生快速開啟效果的電壓，並施加至該第一功率元件120a的閘極。

由於該電流增益單元1501的作用，一旦前級電流I1輸入，就可以快速地生成以及放大此電流而成為該後級電流I2，再經由該阻抗單元1503的配置，即可在第二電壓位準點Vb上快速地生成足夠開啟該第一功率元件120a的電壓(電流被增益放大的程度係與該阻抗單元1503搭配，進而匹配於對應之功率元件所需的開啟電壓)。

該電流增益單元1501例如可藉由達靈頓對(Darlington pair)的電路架構(輸出電流是以串接之電晶體的電流放大率的乘積來做為新的電流放大率，因而可提高電流增益)或其他電路架構來配置，只要可用於電流的放大，皆可適用於本發明的實施例中。

接著請參閱圖4，係為本發明另一實施例之增強型驅動電路的電路示意圖。相較於圖3之實施例，圖4所示例者係於該增強型驅動電路150a中更包括一電壓箝位單元1505。該增強型驅動電路150a的輸入側可被定義有第一電壓位準點Va，該增強型驅動電路的150a輸出側則被定義有第二電壓位準點Vb。該電壓箝位單元1505係耦接於該第一電壓位準點Va與該第二電壓位準點Vb之間。該電壓箝位單元1505用於維持該第二電壓位準點Vb的電壓位準係相當於該第一電壓位準點Va的電壓位準。

由於該電壓箝位單元1505可能造成些微的壓差，故該電壓箝位單元1505可使該第一電壓位準點Va與該第二電壓位準點Vb之間的電壓位準的壓差在一閥值內，而當該第二電壓位準點Vb的電壓位準大於該第一電壓位準點Va的電壓位準達該閥值時，該第二電壓位準點Vb接地的路徑就會被該電壓箝位單元1505導通；而當該第一電壓位準點Va與該第二電壓位準點Vb之間的電壓位準在其他壓差情況則不會導通此接地路徑(此路徑為關閉狀態)。其中，所述接地係指電子負載裝置100的裝置接地。

因此，該電壓箝位單元1505即係作為一開關裝置，例如可採用電晶體等的電子元件或其他類似元件。此外，當該電壓箝位單元1505不會造成壓差現象時，該閥值也可以為零，亦即只要該第二電壓位準點Vb的電壓位準大於該第一電壓位準點Va的電壓位準時，此接地路徑就會被導通。

當待測電源被輸入至電子負載裝置100時，在功率元件上，可能會有不理想的雜散現象在汲極與閘極間生成，進而在閘極上造成一增生電壓。這個增生電壓會導致原本在功率元件的閘極上所欲控制的均壓或電壓分配受到影響，致使功率元件的閘極電壓被拉高，可能破壞整體的匹配程度，故此電壓箝位單元1505可避免此現象的發生。

因此，當有增生電壓產生時，藉由接地路徑導通與否以及對應之閥值的設置，即可令此增生電壓被有效移除，進而讓功率元件的閘極電壓可被箝制在期望的控制位準上，使得均壓或電壓分配的設定不會受到影響，也進一步提升穩定度。

接著請參閱圖5，係為本發明另一實施例之電子負載系統的電路示意圖。於圖5的實施例中，係於該第二功率元件120b與該控制電路140之間配置有相同於前述電路結構的增強型驅動電路150b，該增強型驅動電路150b用於將該控制電路140所傳輸的電流進行放大，產生施加至該第二功率元件120b的電壓。該增強型驅動電路150b接收一外部電源V2，其中，該外部電源V1係與該外部電源V2不同。圖5的電路配置係使得與分壓電路110耦接的各個功率元件以及與該控制電路140耦接的功率元件，皆可被相同電路結構的增強型驅動電路據以驅動，可讓各個功率元件***作於均壓狀態下，提高電子負載裝置的穩定度及可靠度。於其他實施例中，該第一功率元件120a與該第二功率元件120b之間可串接更多的功率元件，而額外串接的該等功率元件係與該分壓電路110之間皆耦接有前述的增強型驅動電路，令電子負載裝置100具備更高的耐壓程度之外亦可避免失效，提高了穩定度及可靠度。

接著請參閱圖6，係為本發明再一實施例之電子負載系統的電路示意圖。於圖6的實施例中，係在該增強型驅動電路150a與該分壓電路110之間耦接有一並聯驅動電路160。該等功率元件(120a、120b)、該電流感測電路130、該控制電路140、及該增強型驅動電路150a係構成一個功率級(Power Stage)，即第一功率級。藉由該並聯驅動電路160的配置，係可進一步放大電流，並能有效驅動所並聯連接的各個功率級，例如：第二功率級PS2、第三功率級PS3至第n功率級PSn。所並聯連接的這些功率級係可用於增加該電子負載裝置的負載電流，提供電子負載裝置具備更靈活的配置方式。

其中，該並聯驅動電路160係可具有相同於該電流增益單元1501之電路架構，用於將該分壓電路110所傳輸的電流放大，提供至後端所連接的各個增強型驅動電路。

接著請同時參閱圖7及圖8，圖7係為習知具有雙功率元件之電子負載系統的外部電壓暫態響應時間關係圖；圖8係為本發明圖5實施例之電子負載系統的外部電壓暫態響應時間關係圖。其中，曲線Vds1係為電子負載裝置中之第一功率元件的跨壓變化，曲線Vds2係為電子負載裝置中之第二功率元件的跨壓變化，DC Source為待測電壓源。圖中的縱座標為電壓，橫坐標為時間。由圖7及圖8可了解到，當外部電壓變化時，圖5的電路架構下係可以讓兩個功率元件有效維持元件承受在均壓的狀態；反觀圖7，在習知知圖1的電路架構下，兩個功率元件的開啟狀態不對應(受到非均衡電壓的控制)，導致第一功率元件的開啟速度較緩慢，當電子負載裝置的操作電壓提高至超過單顆功率元件的耐壓時，第一功率元件就會發生毀損。

接著請同時參閱圖9及圖10，圖9係為習知具有雙功率元件之電子負載系統於拉載時的響應時間關係圖；圖10係為本發明圖5實施例之電子負載系統於拉載時的響應時間關係圖。圖中的縱座標的上部為電壓，下部為電流，橫坐標為時間。由圖9及圖10可了解到，當待測電源裝置提供固定的電壓時，在拉載瞬間，於習知知圖1的電路架構下，由於分壓電路需額外供應電流至第一功率元件的閘極來驅動該第一功率元件使其導通，然而分壓電路為了供應電流反而使得分壓電路呈現不均壓的狀態，造成第一功率元件的跨壓Vds1與第二功率元件的跨壓Vds2不平衡，當電子負載裝置的操作電壓提高至超過單顆功率元件的耐壓時，功率元件就有損壞之風險。反觀本案圖4的電路架構下，係明顯消除了不均壓的現象。

綜上所述，藉由功率元件與分壓電路之間額外增設的增強型驅動電路來確保對非與控制電路耦接之功率元件的驅動能力，進而快速調整響應電壓，縮短響應期間來提高整體的響應速度，抑制暫態變化也解決在負載電路上產生的延遲問題，讓電子負載裝置內之各個功率元件受到均壓的快速驅動，降低功率元件的毀損風險，也提高了電子負載裝置的穩定度及可靠度。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。