应用于电源测试的馈能型电子负载仿真研究

成富平

（安健科技有限公司，广东深圳518000）

1 馈能型电子负载电源测试原理

馈能型电子负载用于电源测试时，一端与被测试电源相连，另一端与电网相连，其结构采取直流环节的整流+逆变双级变换结构。AC／DC的整流环节结构可以控制测试电源的输出电压，从而实现对输入电流的控制，而DC／AC的逆变环节结构可以控制电网的交流电压，进而控制电网的输出电流。这样根据电源测试的实际要求可以灵活控制输入和输出电流的工作频率，满足电源测试需要。整流单元与逆变单元采用二级电压变流器构成，以一个电容为核心对电能进行储存或传递。前级整流器完成电源测试的负载特性模拟，后级逆变器完成输入电流的储存和电网并入工作，达到电能回馈的目的。

2 能馈型电子负载系统设计

2.1 电源电路

无论是稳压器的开启、还是ADC的驱动都要求供电电源是稳定且线性的，因此电源电路的设计中尽量避免使用开关电源。稳压器的输出和ADC的驱动各自选择一块3.3 V的LD1117电源供电即可，同时为了提高电源的稳定性和使用精度，还可以使用一个1μF的电容来进行滤波，起到稳定输出电压的作用。

2.2 驱动电路

能馈型电子负载的驱动电路中主要利用MOSFET作为压控开关，通过电网产生的栅极电压来达到控制漏极电流的目的。这种压控开关的驱动功率较小，电路也比较简单，不会对相邻电路产生影响，因此稳定性较高。驱动电路采用集成驱动芯片IR2110来控制开关管，一片芯片可以控制两个开关管，其HO引脚和LO引脚通过不同电阻连接到两个驱动电源的栅极，电阻的作用是避免芯片驱动运行的噪声与开关管形成共振，同时限制栅极电流的输出。

2.3 整流环节

整流电路采用单相全波二极管电路进行整流，结构简单，可操作性强。整流环节是为了控制测试电源的输出电压，从而实现对输入电流的控制以及完成电源测试的负载特性模拟。因此单相全波二极管的作用就是将所有电源输入的电流整合，串联叠加起来，然后经过反向器的反向转换最后变成交变电流输出。变压器存在中心抽头结构，在电压工作的不同周期，两个二极管分别导通工作，最后使电源输入电流转变为交变电流反方向流出变压器，这样避免了直流磁化的问题。

2.4 过载保护电路

所有电路设计中都要考虑过载保护的问题。由于馈能型电子负载的另一端连接的是电网，因此会有发生过载的危险，在电路中设计一个熔断开关即可，其保险丝的规格应满足略大于电路输入电流限额的要求，最好采取接地形式，保证保险丝不会由于漏电发生事故；其次可以通过加装二极管和压敏电阻的方式提供瞬间过压保护，二极管和压敏电阻可以达到瞬态抑制电容电压的作用。

2.5 负载模拟控制设计

馈能型电子负载的模拟控制一般选择PID，即比例积分微分控制，其操作简单，适应稳定性都较强。其原理是利用输入电流实际值与预测参考值的差值作为自变量，分别对差值进行比例、微分、积分运算处理，最后输出相应的控制量。PID控制的数学模型为：

式中，u（t）是输出控制值；r（t）为预测参考值；y（t）是实际输出值；e（t）为差值；KP、T1、TD分别为比例、积分、微分常数。

主控制芯片选择的是STM32F103VBH6型控制芯片，它处理的是数字信号，因此还需要将模拟信号转变为数字信号输出，PID的模拟控制也应该进行数字化处理，其数学模型如下：

式中，T为连续采样周期；n为采样序号。将以上公式代入（1）可以得到如下公式：

2.6 逆变控制电路设计

逆变控制电路采用H桥单元逆变器，其结构由各种半导体开关器件，如交流滤波电感、直流侧平波电容、主开关器件、反并联二极管等组成，交流滤波电感可以滤除因主开关管闭合产生的高频电流，抑制输出电流波动异常，起到良好的缓冲作用；直流侧平波电容主要是控制输出电流经过升压变换器的频率；对主开关管进行适当的PWM控制就可以控制输出脉冲的输出波形。具体控制方法如下：当调制信号强于载波信号时，导通主开关管2、3，关闭主开关管1、4，此时输入电压与输出电压的相位相同，当载波信号强于调制信号时，导通主开关管1、4，关闭主开关管2、3，此时输入电压与输出电压相位正好相反。在切换主开关管状态时，注意应先将逆变输出的电压控制在零，这样电流才能通过主电路回路完成循环续流，再次切换时，逆变器的电压输出逐渐增高，电流被电容储存，准备下一次的调制。

H桥单元逆变器叠加电路就是将多个H桥串联叠加入电路，每个H桥都有一个独立直流电源为其供电，二者也是串联形式，这样主开关承受的压降就被限定在二者所划分的功率单元里，其优点是减少了次开关管的数目，进而减少了开关管的动作次数，而且控制方法相对简单，逆变器可以直接对独立直流电源进行控制，避免了传统逆变电路安装滤波器件的步骤，降低了成本。H桥逆变器的工作状态只有四种：正向导通、旁路，反向导通、旁路，因此一旦出现其他级联电路状态就是异常状况，需要及时检查，一定要保证每一个H桥基本单元输出波形的基波电压是一致的，这样才能实现级联叠加。

3 馈能型电子负载的测试仿真

按图1所示馈能型电子负载的电路图在MATLAB中进行仿真测试分析，电源选择100 V直流电源，输入端电感值0.1 m H，电容值都为1 000μF，输入信号为频率1 k Hz的三角波载波信号，调制器的调制比设置为0.34，变压器的变压比为0.5。

图1 馈能型电子负载电路图

观察储能电容的电压波形是频率50 Hz左右的正弦波，输出电压波形也是正弦波，电压峰值没有明显改变，如图2所示。

图2 输出电压波形

选取输出电压的一个周期进行傅里叶分析，5 k Hz下的谐波成分不足1.5%，因此谐波稳定，设计是可行的。

4 结束语

本文主要介绍了馈能型电子负载的系统设计和功能，从负载的主控芯片选择、电源电路设计、驱动电路设计、整流环节电路设计、过载保护电路设计、负载模拟控制设计、逆变控制电路设计、馈能型电子负载主电路设计等方面分析了馈能型电子负载的工作原理和控制方案，最后利用MATLAB软件对电路进行了仿真测试，验证了设计的可能性。在实际电路测试中，还有能馈型电子负载的电磁兼容干扰、布局干扰等细节需要考虑。只有设计时考虑全面，才能保证电路系统的稳定性，提高电源测试的精确度。

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