采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电压控制电流源的制作方法

本发明属于线性电源设计领域，具体涉及采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电流源，实现电压至电流的转换，输出可控电流信号以应用于电气测试领域。

背景技术：

电压控制电流源(vccs)，又称电压—电流变换器，属于恒流源的一种，是一种能将输入电压信号转化成与其存在固定倍率关系的电流信号输出的电路。这种结构的电流源在电气与电子测试领域中有着广泛应用。

具体应用领域包括：大功率半导体器件测试、显像管，功率发射管等真空原件的启动等。在大功率半导体器件的特性测试中，vccs可发挥激励源的作用；在真空元器件启动过程中，为防止由于启动冲击电流引起的灯丝烧毁vccs可提供恒定的启动电流；在电流表校验领域，vccs同时可作为基准源来使用；在电机转矩控制方面，vccs能提供一个稳定的驱动电流，由于转矩是电机电流的直接函数，伺服回路内的电流驱动方式可以减少由电动机电感而导致的相位滞后；在电力测量领域中，vccs可以为导体交、直流电阻测试提供一个精确的测试电流。

在小功率电流源的应用场合中，通常直接使用运算放大器和稳压电路实现小电流输出，电路成闭环控制方式。

在大功率电流源的应用场合中，普通运算放大器闭环结构由于输出能力受限，通常采用大功率达林顿管等功率器件实现大电流输出，但是这种方式会降低测试精度。

一种普通浮动负载型vccs电路图如图1所示，其放大器输出端直接与负载相连，负载另一端直接通过连接采样电阻rs接地，其输入输出传递函数关系式为：

一种普通接地负载型vccs电路图如图2所示，其放大器输出端与采样电阻rs相连，并通在rs两端采集电压信号形成正、负反馈，其输入输出传递函数关系式为：

这两种电流源结构十分简单实用，但单个运算放大器输出能力有限，无法获得大电流信号用以大功率测试场合。

一种基于负载浮动型vccs的双管并联型电流源如图3所示，其电路结构在图1的基础上以电压跟随器的形式并联一个相同的功率运算放大器，使得原先单个放大器输出的电流分担到两个放大器共同输出，从理论上改善了放大器安全工作区，其输入输出传递函数关系式为：

一种基于负载接地型vccs的双管并联型电流源如图4所示，其电路结构在图2的基础上以电压跟随器的形式并联一个相同的功率运算放大器，这种结构使得从放大器的能输出与主放大器相同大小的电流，从理论上倍增了整个电路的输出能力。

但在实际操作中，难以达到两个甚至多个放大器处于相同工作状态，然而并联放大器工作状态的差异会导致并联管之间产生电压差，从而在两个放大器之间产生电流回流，这种回流的现象会导致大量能量的损失，还可能使电路产生自激振荡，甚至烧坏放大器芯片。因此图3，图4这两种并联结构在实际应用中可操作性不强。

技术实现要素：

为满足在大功率电流源应用场合的实际测试使用需求，提升电压控制电流源输出能力，并在尽量保证大电流输出的情况下，功率运算放大器安全工作，本发明设计了采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电压控制电流源，其网络拓扑结构如图5所示，具体方案如下所述。

采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电压控制电流源，其特征在于，包括：控制电压信号源uac、电压控制电流源单元si，其中(i＝1，2，…，n‐1)、n绕组隔离变压器t0，隔离变压器一次侧n‐1个绕组分别串接在n‐1个电压控制电流源单元的输出回路中，隔离变压器二次侧作为该大功率电流源的输出端接负载。

所述的采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电压控制电流源，其特征在于，变压器一次侧n‐1个电压控制电流源单元为具有相同的电路拓扑结构，为负载浮动型或接地型。

所述的采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电压控制电流源，其特征在于，变压器一次侧所串接的n‐1个电压控制电流源单元输出回路的激励端需要都与一次侧n‐1个绕组的同名端相连。

所述的一种采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电流源，其特征在于，n绕组隔离变压器t0一次侧n‐1个绕组的匝数n1＝n2＝…＝nn‐1。

所述的采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电压控制电流源，其特征在于：所述n绕组隔离变压器t0一次侧绕组数n‐1即一次侧所串接电压控制电流源的个数可根据具体实验要求进行改动；所述n绕组隔离变压器t0铁芯尺寸与材料可根据具体功率需求、信号频率需求适当选择与改动，为硅钢片、铁氧体、坡莫合金、非晶合金等；所述n绕组隔离变压器t0每相绕组匝数n1、n2、…、nn‐1、nn的选择可根据具体实验需求利用变压器设计原则进行计算。

假设一次侧每个电压控制电流源单元输出电流与控制电压信号源转换关系为：

i1＝k1uac

i2＝k2uac

…

in-1＝kn-1uac

所述采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电压控制电流源输入输出转换关系式为：

本发明达到的有益效果有：

第一，通过引入隔离变压器耦合多个电流源输出端，增强了电路输出能力，使电压控制电流源在保证输出精度的同时能获得较大的输出电流

第二，利用隔离变压器的结构阻隔并联放大器的电气连接，使得在电路输出电流倍增的前提下规避了普通运算放大器并联时由于两个放大器之间的电压差而产生的电流回流现象。

第三，为大电流源的研制提供了新的方法，在变压器足够大的情形下能耦合更多的放大器从而进一步提升电路输出能力。

附图说明

图1为基本负载浮动型电压控制电流源电路；

图2为基本负载接地型电压控制电流源电路；

图3为基于负载浮动型vccs的双管并联型电流源；

图4为基于负载接地型vccs的双管并联型电流源；

图5为采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电压控制电流源网络拓扑结构图；

图6基于负载浮动型vccs的采用隔离变压器耦合多管并联大功率电流源电路；

图7基于负载接地型vccs的采用隔离变压器耦合多管并联大功率电流源电路；

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚明了，下面结合附图6、7，通过具体实施例对本发明做进一步描述；但应理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

具体实施例一

本实施方式为以负载浮动型电压控制电流源为基础的采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电流源电路，应用于大截面导体交流电阻测试。其原理图如图6所示，最大输出为13.5v/40a，包括：控制电压信号源uac、功率运算放大器正负供电电源vs+，vs‐、功率运算放大器a1和功率运算放大器a2、反馈电阻rf、采样电阻rs、多绕组隔离变压器t0。

所述控制电压信号源uac与功率运算放大器a1和a2的反相输入端连接，放大器同相输入端接地，所述多绕组隔离变压器的一次侧t0两个绕组一端直接连接两放大器输出端，所述多绕组隔离变压器t0的一次侧两个绕组另一端分别与两个采样电阻rs相连，所述多绕组隔离变压器t0二次侧绕组作为本电流源的输出端直接串接负载形成回路。

所述标准电压信号源uac幅值为0～4v，频率50～400hz。

所述率运算放大器a1和功率运算放大器a2均为apexpa50。

所述功率运算放大器正负供电电源vs+，vs‐分别为+24v，‐24v。。

所述多绕组隔离变压器选择三绕组，匝数选择n1＝n2＝n3＝3匝。

所述三绕组隔离变压器铁芯材料采用硅钢片。

进一步地，反馈电阻rf阻值均为2kω。

进一步地，采样电阻rs阻值均为0.2ω。

进一步地，为了规避当前制造工艺缺陷，两个采样电阻rs都采用50个精度为0.1％的10ω/10w大功率铝壳电阻并联获得0.2欧的高精度、低温漂、大功率小阻值电阻。

进一步地，可由电路基本原理推导所述采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电流源的输入输出传递函数为：

当控制信号源电压幅值为4v时，能在变压器二次侧获得稳定40a幅值的电流输出。

具体实施例二

本实施方式为以负载接地型电压控制电流源为基础的采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电流源电路，应用于大截面导体交流电阻测试。其原理图如图7所示，最大输出为13.5v/40a，包括：控制电压信号源uac、功率运算放大器正负供电电源vs+，vs‐、功率运算放大器a1和功率运算放大器a2、反馈电阻rf、输入电阻rin、采样电阻rs、多绕组隔离变压器t0。

所述标准电压信号源uac分别通过两个输入电阻rin、与放大器反相输入端相连，功率运算放大器a1、a2的同相输入端通过另外分别两个输入电阻rin接地，所述多绕组隔离变压器t0一次侧两个绕组一端分别通过功率运算放大器a1和a2各自的转换电阻rs连接到放大器的输出端，所述多绕组隔离变压器t0一次侧两个绕组另一端接地，所述多绕组隔离变压器t0二次侧绕组作为本电流源的输出端直接串接负载形成回路。

所述控制电压信号源uac幅值为0～2v，频率50～400hz。

所述功率运算放大器a1和功率运算放大器a2均为apexpa50。

所述功率运算放大器正负供电电源vs+，vs‐分别为+24v，‐24v。。

所述多绕组隔离变压器选择三侧绕组，匝数选择n1＝n2＝n3＝3匝。

所述三绕组隔离变压器铁芯材料采用硅钢片。

进一步地，输入电阻rin阻值均为10kω。

进一步地，反馈电阻rf阻值均为20kω。

进一步地，采样电阻rs阻值均为0.2ω。

进一步地，为了规避当前制造工艺缺陷，两个采样电阻rs都采用50个精度为0.1％的10ω/10w大功率铝壳电阻并联获得0.2欧的高精度、低温漂、大功率小阻值电阻。

进一步地，可由电路基本原理推导所述采用隔离变压器耦合的多管并联大功率电流源的输入输出传递函数为：

当标准信号源电压幅值为2v时，能在变压器二次侧获得稳定40a幅值的电流输出。

本发明在传统电流源结构的基础上设计了新的电路结构，通过引入隔离变压器耦合多个基本电流源的输出端，利用电磁感应在变压器二次侧获得电流的倍增，这种电路与传统电流源电路相比有着更强的输出能力并且相比较采用大功率达林顿管等功率器件获得大电流的方法本电路又有着较高的输出精度；同时利用隔离变压器阻隔了并联的放大器管的电气连接，有效的规避了普通并联结构提升电流源输出这种方法下放大器直接电流回流而导致放大器烧毁的隐患，从而进一步提升了电流源工作的安全可靠性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明原理与思路的前提下，本发明还会有多种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明的保护范围内。