應用于電源測試的饋能型電子負載仿真研究

成富平

（安健科技有限公司，廣東深圳518000）

1 饋能型電子負載電源測試原理

饋能型電子負載用于電源測試時，一端與被測試電源相連，另一端與電網相連，其結構采取直流環節的整流+逆變雙級變換結構。AC／DC的整流環節結構可以控制測試電源的輸出電壓，從而實現對輸入電流的控制，而DC／AC的逆變環節結構可以控制電網的交流電壓，進而控制電網的輸出電流。這樣根據電源測試的實際要求可以靈活控制輸入和輸出電流的工作頻率，滿足電源測試需要。整流單元與逆變單元采用二級電壓變流器構成，以一個電容為核心對電能進行儲存或傳遞。前級整流器完成電源測試的負載特性模擬，后級逆變器完成輸入電流的儲存和電網并入工作，達到電能回饋的目的。

2 能饋型電子負載系統設計

2.1 電源電路

無論是穩壓器的開啟、還是ADC的驅動都要求供電電源是穩定且線性的，因此電源電路的設計中盡量避免使用開關電源。穩壓器的輸出和ADC的驅動各自選擇一塊3.3 V的LD1117電源供電即可，同時為了提高電源的穩定性和使用精度，還可以使用一個1μF的電容來進行濾波，起到穩定輸出電壓的作用。

2.2 驅動電路

能饋型電子負載的驅動電路中主要利用MOSFET作為壓控開關，通過電網產生的柵極電壓來達到控制漏極電流的目的。這種壓控開關的驅動功率較小，電路也比較簡單，不會對相鄰電路產生影響，因此穩定性較高。驅動電路采用集成驅動芯片IR2110來控制開關管，一片芯片可以控制兩個開關管，其HO引腳和LO引腳通過不同電阻連接到兩個驅動電源的柵極，電阻的作用是避免芯片驅動運行的噪聲與開關管形成共振，同時限制柵極電流的輸出。

2.3 整流環節

整流電路采用單相全波二極管電路進行整流，結構簡單，可操作性強。整流環節是為了控制測試電源的輸出電壓，從而實現對輸入電流的控制以及完成電源測試的負載特性模擬。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，串聯疊加起來，然后經過反向器的反向轉換最后變成交變電流輸出。變壓器存在中心抽頭結構，在電壓工作的不同周期，兩個二極管分別導通工作，最后使電源輸入電流轉變為交變電流反方向流出變壓器，這樣避免了直流磁化的問題。

2.4 過載保護電路

所有電路設計中都要考慮過載保護的問題。由于饋能型電子負載的另一端連接的是電網，因此會有發生過載的危險，在電路中設計一個熔斷開關即可，其保險絲的規格應滿足略大于電路輸入電流限額的要求，最好采取接地形式，保證保險絲不會由于漏電發生事故；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，二極管和壓敏電阻可以達到瞬態抑制電容電壓的作用。

2.5 負載模擬控制設計

饋能型電子負載的模擬控制一般選擇PID，即比例積分微分控制，其操作簡單，適應穩定性都較強。其原理是利用輸入電流實際值與預測參考值的差值作為自變量，分別對差值進行比例、微分、積分運算處理，最后輸出相應的控制量。PID控制的數學模型為：

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

主控制芯片選擇的是STM32F103VBH6型控制芯片，它處理的是數字信號，因此還需要將模擬信號轉變為數字信號輸出，PID的模擬控制也應該進行數字化處理，其數學模型如下：

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

2.6 逆變控制電路設計

逆變控制電路采用H橋單元逆變器，其結構由各種半導體開關器件，如交流濾波電感、直流側平波電容、主開關器件、反并聯二極管等組成，交流濾波電感可以濾除因主開關管閉合產生的高頻電流，抑制輸出電流波動異常，起到良好的緩沖作用；直流側平波電容主要是控制輸出電流經過升壓變換器的頻率；對主開關管進行適當的PWM控制就可以控制輸出脈沖的輸出波形。具體控制方法如下：當調制信號強于載波信號時，導通主開關管2、3，關閉主開關管1、4，此時輸入電壓與輸出電壓的相位相同，當載波信號強于調制信號時，導通主開關管1、4，關閉主開關管2、3，此時輸入電壓與輸出電壓相位正好相反。在切換主開關管狀態時，注意應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續流，再次切換時，逆變器的電壓輸出逐漸增高，電流被電容儲存，準備下一次的調制。

H橋單元逆變器疊加電路就是將多個H橋串聯疊加入電路，每個H橋都有一個獨立直流電源為其供電，二者也是串聯形式，這樣主開關承受的壓降就被限定在二者所劃分的功率單元里，其優點是減少了次開關管的數目，進而減少了開關管的動作次數，而且控制方法相對簡單，逆變器可以直接對獨立直流電源進行控制，避免了傳統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只有四種：正向導通、旁路，反向導通、旁路，因此一旦出現其他級聯電路狀態就是異常狀況，需要及時檢查，一定要保證每一個H橋基本單元輸出波形的基波電壓是一致的，這樣才能實現級聯疊加。

3 饋能型電子負載的測試仿真

按圖1所示饋能型電子負載的電路圖在MATLAB中進行仿真測試分析，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，輸入信號為頻率1 k Hz的三角波載波信號，調制器的調制比設置為0.34，變壓器的變壓比為0.5。

圖1 饋能型電子負載電路圖

觀察儲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周期進行傅里葉分析，5 k Hz下的諧波成分不足1.5%，因此諧波穩定，設計是可行的。

4 結束語

本文主要介紹了饋能型電子負載的系統設計和功能，從負載的主控芯片選擇、電源電路設計、驅動電路設計、整流環節電路設計、過載保護電路設計、負載模擬控制設計、逆變控制電路設計、饋能型電子負載主電路設計等方面分析了饋能型電子負載的工作原理和控制方案，最后利用MATLAB軟件對電路進行了仿真測試，驗證了設計的可能性。在實際電路測試中，還有能饋型電子負載的電磁兼容干擾、布局干擾等細節需要考慮。只有設計時考慮全面，才能保證電路系統的穩定性，提高電源測試的精確度。

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