专利名称：电子负载装置及其电路的制作方法
技术领域：
本发明关于一种电子负载装置，特别是指一种改善功率元件延迟驱动的 电子负载装置及其电路。
背景技术：
由于电力电子技术不断的发展与半导体制造技术的提升，使得电力电子 类负载的运用日益普遍，有逐渐取代传统负载之势。电子负载其工作原理以 切割或改变电压或电流的波形而达到目的，是电子零件在电路上反馈的电压 或电流值，即电路负载时所呈现的耐电压与电流的基本数值，具有高效率及 控制功率流量的优点。电子负载电路在负载时，反馈的电流会受使用的负载源影响。请参阅图l所示，其为现有技术一种电子负载电路的示意图。电子负载电 路包含有一第一放大器OPi、 一第二放大器OP2、 一信号加总器S、 一功率元件与一电阻R。其中，第一放大器OPi的二输入端分别连接电阻R的两端与一 端点D，输出端连接至信号加总器S，信号加总器S分别连接第二放大器0P2 的输入端与一端点A，第二放大器OP2的输出端连接至功率元件的控制栅极， 功率元件的另一端连结至电阻R的其中一端，以形成一闭反馈电路。功率元 件可选用如双极性晶体管(BJT)、金氧半场效晶体管(MOSFET)、绝缘栅双 极性晶体管(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBT)等元件；电阻R 亦可用霍尔元件做一替换，通过功率元件所导通的负载电流Io产生一电压降 VF。电阻R所产生的电压降V"故为一反馈信号，而第一放大器OP^妾收反馈信 号以产生一反馈信号的增益GF;端点A接收一控制电流信号Vn信号加总器S 将接收端点A电位与第一放大器OPi输出端电位，并将端点A的电位减去第一5放大器OP,输出端电位后，输出信号至第二放大器OP2的输入端，第二放大器 OP2放大信号以控制功率元件的幵启与否，通过功率元件的开启与否以控制 流经二端点B、 C之间的负载电流Io大小。通过第一放大器OP。信号加总器S、 一功率元件、 一电阻R与第二放大器0P2，并利用已增幅的控制电流信号、，而形成一闭反馈负载电路；当负载电路于稳态时，负载电流10与负载电压(￥+-^)无关，而与控制电流信号、呈线性关系。然而，由于放大器的高频增益会衰减，这些功率元件本身控制 栅极的驱动电压皆非零伏启动，因此现有技术的电子负载电路在需快速启动 的情况下，将因功率元件的控制栅极电压未达到启动电压，导致电子负载电路在启动时产生延迟，而在这短暂的期间负载电流Io无法随控制电流信号力做一线性改变。由于在现有技术的电子负载电路中，将会遇到以下困难因功率元件的 特性，在高速运作下，会有短暂时间其负载电流无法随控制电流信号改变。 因此，本发明提出一种电子负载装置及其电路，以克服因功率元件非零伏驱 动特性造成的迟延现象。发明内容本发明的目的在于提供一种电子负载装置，不论其控制信号的大小，皆 可顺利驱动并产生一符合线性关系的负载电流。本发明的目的在于提供一种电子负载电路，用以改善一般电子负载电路 中因功率元件启动临界电压所造成的动作延迟，使电子负载电路能达到实时 启动的效能。本发明揭露一种电子负载装置，用以连接一负载物，并对负载物进行电 力拉载测试，电子负载装置包括 一模拟转数字模块，将所接收负载物的一模拟信号转换为一数字信号； 一微处理单元，接收数字信号后，经过运算处 理输出一控制信号； 一数字转模拟模块，接收控制信号转为模拟信号型态的 控制信号输出；以及一电子负载模块，具有一电子负载电路，连接至负载物并与其形成一回路，电子负载模块接收控制信号，产生一负载电^C，其中负 载电流与控制信号呈一线性关系。本发明揭露一种电子负载电路至少包含 一闭反馈电路与一比较器。闭 反馈电路，具有一第一放大器、 一第二放大器、 一信号加总器、 一反馈电阻 与一功率元件，其中，第一放大器的输入端连接反馈电阻的两端，第一放大 器的输出端连接信号加总器，信号加总器输出一信号至第二放大器的输入端， 第二放大器的输出端连接功率元件的控制栅极，功率元件的一端连结至反馈 电阻的一端。比较器正输入端连接一参考电压，参考电压的值为驱动功率元 件的临界电压值，负输入端连接第二放大器的输出端，输出端连接信号加总 器。当电子负载电路接收一控制信号小于功率元件的驱动电压，比较器将输 出一电压提高第二放大器的输出电位使功率元件在预备启动的状态，则控制 信号即可驱动电子负载电路；当电子负载电路接收一控制信号大于功率元件的驱动电压，比较器将输出o电压，控制信号仍可顺利驱动电子负载电路。
图l为现有技术的电子负载电路的示意图；图2为本发明一实施例电子负载装置连接一负载物的示意图； 图3为本发明一实施例电子负载电路的示意图；及图4为本发明另一实施例电子负载电路的电路图。附图标号20电子负载装置 22负载物 202模拟转数字模块 204微处理单元 206数字转模拟模块 208电子负载模块Io负载电流]V^ NMOS晶体管 第一放大器 OP2第二放大器 OP3第三放大器 Rx可变电阻 S信号加总器比较器 VTH驱动(临界)电压 VF反馈电压 W控制电流信号 ZD,齐纳二极管 Q、 C2电容IoFF、 IrEF参考电流R广Rd、 R电阻VDD、 Vss、 Vref参考电压具体实施方式
为了改善现有电子负载装置的电子负载模块电路中功率元件控制栅极在 未达驱动电压(或称为临界电压VxH)之时，功率元件无法反应的问题；本发明 增加一比较器电路于电子负载模块电路中，使放大器的输出在未达功率元件 驱动(启动)电压前，比较器将产生一电压使放大器的输出继续增加，当放大 器的输出达到控制栅极临界电压后，则比较器输出为零而不再增加放大器的 输出，此时若输入端接收一控制电流信号，此控制电流信号将与负载电流呈 线性关系。请参阅图2所示，其为本发明一实施例电子负载装置连接一负载物的示意 图。电子负载装置20连接一负载物22,对负载物进行电力拉载测试，以测量负载物22的耐电压与电流的基本数值；其中，电子负载装置20包括一模拟转数字模块202、 一微处理单元204、 一数字转模拟模块206及一电子负载模块2 08。其中，模拟转数字模块202连接负载物22，并将所接收负载物的模拟信号 转换为一数字信号输出至微处理单元204;微处理单元204接收数字信号后， 经过运算处理输出一控制信号至数字转模拟模块206;数字转模拟模块206接 收控制信号转为模拟信号型态的控制信号输出至电子负载模块208;电子负载 模块208具有一电子负载电路，连接至负载物并与其形成一回路，电子负载模 块接收控制信号，产生一负载电流与控制信号呈线性关系。其中，电子负载 电路的作用原理、实施态样将详细阐述如下。请参阅图3所示，其为本发明一实施例电子负载电路的示意图。电子负载 电路包含有一第一放大器OPi、 一第二放大器0P2、 一比较器"、 一信号加总 器S、 一功率元件与一电阻R。其中，第一放大器OPt的二输入端分别连接电 阻R的两端与一端点D，输出端连接至信号加总器S;信号加总器S又分别连接第二放大器OP2的输入端与一端点A;第二放大器0P2的输出端连接至功率元 件的控制栅极与比较器"的负输入端；功率元件的另一端连结至电阻R的其 中一端，以形成一闭反馈电路；比较器U!的正输入端连接一驱动功率元件的临界电压值VTH，比较器Ui的输出端连接至信号加总器S。功率元件可选用如双极性晶体管(BJT)、金氧半场效晶体管(MOSFET)、 绝缘栅双极性晶体管(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistors)等元件；电阻 R通过功率元件所导通的负载电流Io产生一电压降VF，亦可用霍尔元件与电 阻R做一 替换。电阻R所产生的电压降VF做为一反馈信号，使第一放大器OPi接收反馈信号与参考电压VREF以产生一反馈信号的增益GF;端点A接收一控制电流信号V1;信号加总器S接收端点A电位、第一放大器OP,输出端电位以及比较器U, 的输出电位，并将端点A的电位加上比较器Ui的输出电位减去第一放大器OP输出电位后，输出信号至第二放大器OP2的输入端，第二放大器OP2放大信号 至比较器Ui负输入端与功率元件的控制栅极。当控制电流信号^小于功率元件启动电压VTH时，现有的电子负载电路 将由于第二放大器OP2的输出电压值未达功率元件启动电压VTH，而无法开启功率元件的控制栅极，而使负载电流Io无法随控制电流信号^改变。然而，本发明通过比较器Q电路，先行产生一电压输出至第二放大器OP2 的输入端，使第二放大器OP2的输出电压值继续增加，直到第二放大器OP2 的输出电压值达到控制栅极临界电压VTH后，则比较器"输出为零而不再增 加第二放大器OP2的输出电压值，因此，即使控制电流信号^小于功率元件 启动电压VTH，仍然可以驱动功率元件，通过功率元件的开启以控制流经二 端点B、 C的间的负载电流Io大小，使控制电流信号^与负载电流Ic5呈线性关 系，而不会有延迟的情形发生。当控制电流信号^大于功率元件启动电压VTH，则比较器U,将不动作使 输出为零，而控制电流信号V逸过信号加总器S与第二放大器OP2后，可以顺 利驱动功率元件，使控制电流信号W与负载电流Io呈线性关系，而不会有延 迟的情形发生。请参阅图4所示，为本发明另一实施例一种电子负载电路的电路图。电子 负载电路包含有一第一放大器OP!、 一第二放大器OP2、 一第三放大器OP3、一比较器"、 一晶体管Mp复数个电容与复数个电阻。其中，第一放大器C^ 的正输入端连接晶体管Mi的一端，负输入端连接两电阻R9与Ru)的一端，第 一放大器OP,的输出端连接电阻R9的另一端与一反馈电阻R8的一端，电阻Rw 的另一端连接一参考电压Vss。第二放大器OP2的两输入端分别连接一参考电压Vss以及电阻R4和反馈 电阻RS的另一端，第二放大器OP2的输出端连接一电阻R5与比较器l^的正输 入端，电阻R5连接至晶体管M,的栅极，第二放大器OP2经由电阻R5输出放大信号以控制晶体管M,的开启与否。第三放大器OP3的二输入端分别连接一参考电压Vss以及电阻R" R2与R6 的一端相连接，又其输出端耦接第二放大器OP2的输入端与第一放大器OP,的输出端；其中，第三放大器OP3做为一加法器，以达成一信号加总器S的功 效，用以将电阻R。R2与R7三端的电位相加减后的结果，加上第一放大器C^的输出信号后，馈入第二放大器OP2的输入端。比较器Q的负输入端连接一电压调节电路1，用以提供一参考电压VTH(晶体管M,控制栅极的临界电压)，电压调节电路1由一电组1112串联一并联电 路，并联电路由一电容C2并联两串联电阻Rx与Ru及并联一齐纳二极管ZDi所 组成，其中，电阻Rx为一可变电阻，故可以适应不同驱动晶体管，调整出不 同的临界电压值；比较器Ui的输出端连接两电阻R^与R7，经由电阻R6输出电位信号至第三放大器OP3。利用第二放大器OP2做为电子负载中驱动晶体管Mi拉载电流的运算放大 器，以积分器的形式使直流的放大倍率极大，第二放大器OP2的输出做为比较器IJ,的负输入与比较器U,正输入端的参考电压Vra作比较，再通过第三放大器OP3做加法器，以维持晶体管M,在拉载前保持于即将开启的状态。当控制电流信号V!小于功率元件启动电压VTH时，由于电子负载电路已使晶体管Mi保持于即将开启的状态，即便控制电流信号^太小而在现有的电 子负载电路中无法驱动晶体管Mp但在本发明电子负载电路中，由于晶体管 M!在拉载前保持于即将开启的状态，故控制电流信号^可顺利驱动晶体管 Mp使之与负载电流Io呈线性关系。上述的比较器电路，将比较正负输入端的电位后，先行产生一电压输出至第三放大器OP3的输入端，使第三放大器OP3的输出电压值增加并输出至第 二放大器OP2，第二放大器OP2将其接收电位做放大，当第二放大器OP2的输 出电压值达到控制栅极临界电压VTH后，则比较器Ui输出为零而不再影响第 三放大器OP3的输出电位值。在上述实施例中，可以减少驱动晶体管达到启动状态的时间延迟，且具有以下优点1. 不影响原先所设计的电子负载电路特性；由于比较器电路作用在功率 元件的截止区，且输入阻抗极大，故对于原先闭回路控制无影响。2. 电子负载电路中比较器的参考电压具调整功能，可以适应不同启动电 压的功率元件。3. 电子负载电路材料便宜且简单易于维护。4. 一般的电子负载为增加功率负荷，皆以并联上述电子负载电路的方式 而形成电子负载模块；由于各功率元件(晶体管)的控制栅极临界电压VTH皆不同，故为解决此问题，可将控制栅极临界电压差距小的功率元件挑选出来， 或者在每一组电压调节电路皆以人工的方式调整参考电压作处理，这样可达 到同时拉载的一致性。本发明虽以较佳实施例阐明如上，然其并非用以限定本发明精神及发明 实体。对所属技术领域中具有通常知识者，当可轻易了解并利用其它元件或 方式来产生相同的功效。是以，在不脱离本发明的精神及范围内所作的修改， 均应包含在权利要求范围内。
权利要求
1.一种电子负载电路，所述的电路至少包含一闭反馈电路，具有一第一放大器、一第二放大器、一信号加总器、一反馈电阻与一功率元件，其中，所述的第一放大器的输入端连接所述的反馈电阻的两端，所述的第一放大器的输出端连接所述的信号加总器，所述的信号加总器输出一信号至所述的第二放大器的输入端，所述的第二放大器的输出端连接所述的功率元件的控制栅极，所述的功率元件的一端连结至所述的反馈电阻的一端；以及一比较器，正输入端连接一参考电压，所述的参考电压的值为所述的功率元件的驱动电压值，负输入端连接所述的第二放大器的输出端，输出端连接所述的信号加总器，其中，当所述的信号加总器接收一控制信号小于所述的功率元件的驱动电压，所述的比较器将输出一电压提高所述的第二放大器的输出电位使所述的功率元件在预备启动的状态，则所述的控制信号即可驱动所述的电子负载电路；当所述的信号加总器接收一控制信号大于所述的功率元件的驱动电压，所述的比较器将输出0电压，所述的控制信号可顺利驱动所述的电子负载电路。
2. 根据权利要求l所述的电路，其特征在于，所述的功率元件可以是双 极性晶体管、金氧半场效晶体管、绝缘栅双极性晶体管及相类似的功率元件。
3. 根据权利要求l所述的电路，其特征在于，所述的反馈电阻可以用霍 尔元件替换。
4. 根据权利要求l所述的电路，其特征在于，所述的参考电压由一调节 电压电路所提供。
5. 根据权利要求l所述的电路，其特征在于，所述的信号加总器可用一 第三放大器做成的加法器达成。
6. —种电子负载装置，用以连接一负载物，并对于所述的负载物进行电 力拉载测试，所述的电子负载装置包括一模拟转数字模块，将所接收所述的负载物的一模拟信号转换为一数字 信号；一微处理单元，接收所述的数字信号后，经过运算处理输出一控制信号； 一数字转模拟模块，接收所述的控制信号转为模拟信号型态的所述的控制信号输出；以及一电子负载模块，具有一电子负载电路，连接至所述的负载物，并与其形成一回路，所述的电子负载模块接收所述的控制信号，产生一负载电流，其中所述 的负载电流与所述的控制信号呈一线性关系。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的电子负载电路具有一闭反馈电路以及一比较器，其中所述的比较器正输入端连接一参考电压， 负输入端连接所述的闭反馈电路的输出，输出端连接所述的闭反馈电路的输 入；当所述的闭反馈电路接收所述的控制信号小于所述的参考电压，所述的 比较器将输出一电压以提高所述的闭反馈电路的输出电位，使所述的控制信号可驱动所述的电子负载电路；当所述的闭反馈电路接收所述的控制信号大 于所述的参考电压，所述的比较器将输出0电压，所述的控制信号驱动所述 的电子负载电路。
8. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的闭反馈电路具有一 第一放大器、 一第二放大器、 一信号加总器、 一反馈电阻与一功率元件，所 述的第一放大器的输入端连接所述的反馈电阻的两端，所述的第一放大器的 输出端连接所述的信号加总器，所述的信号加总器接收所述的比较器输出的 电压，所述的信号加总器输出一信号至所述的第二放大器的输入端，所述的 第二放大器的输出端连接所述的功率元件的控制栅极与所述的比较器的负输 入端，所述的功率元件的一端连结至所述的反馈电阻的一端。
9. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的参考电压为所述的功率元件的驱动电压值。
10. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的参考电压由一电压调节电路所产生。
全文摘要
本发明揭露一种电子负载装置，用以连接一负载物，并对负载物进行电力拉载测试，电子负载装置包括一模拟转数字模块，将所接收负载物的一模拟信号转换为一数字信号；一微处理单元，接收数字信号后，经过运算处理输出一控制信号；一数字转模拟模块，接收控制信号转为模拟信号型态的控制信号输出；以及一电子负载模块，具有一电子负载电路，连接至负载物并与其形成一回路，电子负载模块接收控制信号，产生一负载电流，其中负载电流与控制信号呈一线性关系。
文档编号G01R31/00GK101324797SQ20071010904
公开日2008年12月17日 申请日期2007年6月15日 优先权日2007年6月15日
发明者洪嘉隆, 郭贝仓, 陈宏泰 申请人:中茂电子(深圳)有限公司