一种纹波电流产生电路的制作方法

本实用新型涉及一种纹波电流产生电路，特别涉及应用于电解电容测试用的低频脉动电流充电，高频脉动电流放电的电流纹波产生的电路。

背景技术：

目前，开关电源广泛地应用到军事、工业及民用领域，实现能量变换与传递，满足负载的供电要求。在75W以下AC/DC应用场合，性价比较高的方案是采用二极管整流、经电解电容滤波，获得脉动电压，有后续的功率变换器提供工作电压。

因电解电容的故有特性，从而限制AC/DC变换器的用途。一般，对于220VAC输入场合，采用400V耐压的电解电容作为母线滤波电容。但是，当电解电容的耐压大于250V，其低温一般只能工作到-25℃。不能满足要求工作在-40℃的部分应用场合，从而使得AC/DC变换器的应用受限。为了解决温度问题，可采用CBB薄膜电容来进行滤波，但存在体积过大、成本过高的缺点。

由于电解电容的寿命与其耐压、等效串联电阻(ESR：Equivalent Series Resistance)、纹波电流(Ripple Current)、损耗角(tgδ)等因素有关，尤其是最大纹波电流，即额定纹波电流(IRAC)。在实际的应用场合中，电解电容的充放电形式表现为：低频脉动电流充电、高频脉动电流放电。低频充电频率为输入交流电压的2倍频率(如输入频率为50Hz/60Hz交流电，则电容充电的频率为100Hz/120Hz)，并且充电时间较短，在1ms内完成充电；高频放电频率为变换器的工作频率(如65KHz开关频率)。这种特殊的充放电形式对电解电容所承受的纹波电流有很大的影响，进而会影响到其使用寿命。

对于电解电容纹波的测试，常规的方法是采用功率电阻+功率开关管的方式实现电解电容的充放电，如图1所示，由直流源、功率管、两电阻、控制及驱动电路构成的电路，以验证电解电容的使用寿命，由于采用的是电阻耗能的方式，电路较为简单。但该测试方法存在耗能大、系统体积大等缺点，难以满足当下社会的节能环保发展需求，并且会增加电解电容的生产成本，尤其是电解电容的测试成本。

针对上述的问题，专利授权公告号CN105242737A的专利文献给出了一种纹波电流产生方法及电路，如图2所示，包括一直流源、一电感、一变压器、一电容(为被测电容)、一二极管和控制及驱动电路。该专利文献还给出了另外一种实施例，如图3所示。包括一直流源、一电感、一变压器、一电容(为被测电容)、一二极管和控制及驱动电路，可实现电解电容的充放电功能，具有成本低、耗能低、接线简单、体积小的特点。但是图2所示的电路仅能实现电解电容高频充放电的寿命验证，图3所示的电路仅能实现电解电容直流电流充电，高频电流放电的寿命验证。实际上，开关变换器中的电解电容的工作电流特点为：低频脉动电流充电、高频脉动电流放电。因此专利所提出的方法及电路均不能满足低频脉动电流充电的这个要求，从而会降低电解电容寿命测试结果的可信度。

综上所述，对于电解电容的纹波电流测试，以验证其使用寿命时，现有的方法难以同时满足低功耗测试、真实模拟电解电容工作状态的要求，从而使得其测试的成本较高、测试结果可信度低。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型解决的技术问题是克服现有方法的不足，提出一种纹波电流产生电路，既能提供低频脉动电流充电、高频脉动电流放电的功能，真实地模拟电解电容的实际工作情况，又能实现能量回馈到电源，具有成本低、耗能小、体积小的优点，并且电路接线简单、使用方便、可靠性高、测试结果可信度高。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种纹波电流产生电路，用于被测电容的纹波电流测试，包括直流源、第一电容、被测电容，第一电容两端并联在直流源两端，直流源用于提供直流脉动电压，还包括含有电感、第二功率管、第二二极管的低频脉动电流充电电路，含有变压器、第一功率管、第一二极管、功率管防护电路的高频脉动电流放电电路，控制及驱动电路，变压器包括原边绕组和副边绕组，其连接关系为：

低频脉动电流充电电路输入端连接直流源正极，低频脉动电流充电电路输出端连接高频脉动电流放电电路输入端，高频脉动电流放电电路输出端连接直流源正极，低频脉动电流充电电路控制端连接控制及驱动电路一控制端，高频脉动电流放电电路控制端连接控制及驱动电路另一控制端，驱动及控制电路用于实现对低频脉动电流充电电路和高频脉动电流放电电路中的第二功率管和第一功率管的状态控制；

被测电容一端连接在低频脉动电流充电电路输出与高频脉动电流放电电路输入之间，被测电容另一端连接控制及驱动电路参考地。

优选地，所述低频脉动电流充电电路中，第二功率管漏极作为低频脉动电流充电电路输入端，第二功率管源极连接电感一端、第二二极管阴极，电感另一端作为低频脉动电流充电电路输出端，第二二极管阳极连接直流源负极、控制及驱动电路参考地，第二功率管栅极作为低频脉动电流充电电路控制端。

优选地，作为上述方案的一种改进，所述低频脉动电流充电电路中，电感一端作为低频脉动电流充电电路输入端，电感另一端作为低频脉动电流充电电路输出端，第二二极管阴极连接直流源正极，第二二极管阳极连接第二功率管漏极、控制及驱动电路参考地，第二功率管源极连接直流源负极，第二功率管栅极作为低频脉动电流充电电路控制端。

优选地，所述高频脉动电流放电电路中，变压器原边绕组同名端作为高频脉动电流放电电路输入端，变压器原边绕组异名端连接第一功率管漏极，第一功率管栅极作为高频脉动电流放电电路控制端，第一功率管源极连接控制及驱动电路参考地、第一二极管阳极，第一二极管阴极连接变压器副边绕组同名端，变压器副边绕组异名端作为高频脉动电流放电电路输出端，功率管防护电路的两端连接在变压器原边绕组的同名端和异名端之间。

优选地，作为上述高频脉动电流放电电路的一种改进，所述高频脉动电流放电电路中，变压器原边绕组同名端作为高频脉动电流放电电路输入端，变压器原边绕组异名端连接第一功率管漏极，第一功率管栅极作为高频脉动电流放电电路控制端，第一功率管源极连接控制及驱动电路参考地、变压器副边绕组同名端，变压器副边绕组异名端连接第一二极管阳极，第一二极管阴极作为高频脉动电流放电电路输出端，功率管防护电路的两端连接在变压器原边绕组的同名端和异名端之间。

优选地，功率管防护电路由RCD电路或有源钳位电路构成。

本实用新型所提的方案，可组合成4种实施方案，其工作原理在具体实施例中进行详细说明，综合本实用新型的工作原理，本实用新型克服了现有技术中电解电容纹波测试方法的不足，其有益效果为：

(1)实现被测电容低频脉动电流充电、高频脉动电流放电的功能，真实模拟电解电容的应用情况；

(2)被测电容放电能量回馈到输入电源，所提方案具有测试功耗小、体积小、成本低的优点。

附图说明

图1为现有技术的电阻式纹波电流产生的电路原理图；

图2为现有技术的高频纹波电流产生的电路原理图；

图3为现有技术的直流充电、高频脉动电流放电的电路原理图；

图4为本实用新型的第一实施例的电路原理图；

图5为本实用新型的第一实施例的仿真结果图；

图6为本实用新型的第一实施例的仿真结果充电过程展开图；

图7为本实用新型的第一实施例的仿真结果放电过程展开图；

图8为本实用新型的第二实施例的电路原理图；

图9为本实用新型的第三实施例的电路原理图；

图10为本实用新型的第四实施例的电路原理图。

具体实施方式

本实用新型的发明构思为通过控制低频脉动电流充电电路和高频脉动电流放电电路两个电能变换回路，实现电解电容的低频脉动电流充电、高频脉动电流放电的真实应用模拟，低频脉动电流充电电路实现被测电解电容按照工频电压的二倍频率进行被测电容的脉动电流充电，高频脉动电流放电电路实现在工频电压下实现被测电容的高频脉动电流放电，同时在高频放电过程将被测电解电容所释放的能量回馈到输入电源，极大地降低了电解电容的测试能耗。

以下结合附图及实施例，对本实用新型进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

第一实施例

图4为本实用新型纹波电流产生电路第一实施例的电路原理图，电路包括直流源Vin、低频脉动电流充电电路、高频脉动电流放电电路、被测电容C1、输入电容C2、控制及驱动电路。低频脉动电流充电电路包括功率管Q2、电感L1、二极管D2，高频脉动电流放电电路包括功率管Q1、二极管D1、变压器、功率管防护电路，变压器包括原边绕组和副边绕组，各电路的连接关系为：

低频脉动电流充电电路输入端连接直流源Vin的正极，并同时与功率管Q2的漏极相连；功率管Q2的源极连接二极管D2的阴极与电感L1的一端；电感L1的另一端作为低频脉动电流充电电路的输出端与被测电容C1的正极相连；二极管D2的阳极连接直流源Vin的负极、被测电容C1的负极、控制及驱动电路参考地；输入电容C2并联在直流源Vin两端；高频脉动电流放电电路的输入端连接低频脉动电流充电主电路的输出端并与变压器的原边绕组同名端、功率管防护电路的第二端口相连；变压器原边绕组异名端连接功率开关管Q1的漏极、功率管防护电路的第一端口；功率开关管Q1的源极连接直流源Vin的负极、二极管D1的阳极；二极管D1的阴极与变压器的副边绕组同名端相连；变压器的副边绕组异名端作为高频脉动电流放电电路的输出端与直流源Vin的正极相连；控制及驱动电路控制端口Vg1与功率管Q1的栅极相连；控制及驱动电路控制端口Vg2与功率管Q2的栅极相连；控制及驱动电路参考地与直流源Vin的负极相连。

电路中的功率管防护电路由RCD电路或有源钳位电路构成，用于将功率管Q1的漏源极最高电压进行钳位，防止功率管Q1漏源极出现过电压现象，起到保护功率管Q1的作用。

本实施例的纹波产生电路的工作原理描述如下：

(1)控制及驱动电路的驱动信号Vg2以工频电压的2倍频率且以小于1ms开通时间对功率管Q2进行控制，实现被测电容C1的充电，低频脉动电流充电电路工作在断续导通模式，充电电流的表达式为ic(t)＝(Vin-Vc)/L1*t，其中Vin为直流源电压，Vc为被测电容端电压；当功率管Q2关断时，电感L1的电流经二极管D2进行续流，一直维持到充电电流下降到0，续流阶段的充电电流表达式为ic(t)＝Ipk-(Vc)/L1*t，其中Ipk为电感L1的峰值电流，Vc为被测电容端电压，如此获得低频的充电电流纹波，模拟实际应用场合的桥式整流电路对电解电容的充电特性，其中，电感L1还可避免电路出现较大充电电流的冲击，二极管D2给电感L1提供续流回路；

(2)控制及驱动电路的驱动信号Vg1以高频(如65KHz)对功率管Q1进行控制，实现电解电容的放电，并获得高频的放电电流，模拟实际应用场合中的电能变换拓扑的能量传递过程，通过反激变压器将电解电容所释放的能量回馈到输入电源端，实现能量回馈功能。

电路测试仿真结果如图5所示(图中黑色阴影部分是由于波形密集所导致)，图中仿真波形符号说明：Vds为功率管Q1的漏源极电压，Vc为电解电容端电压，Ip为变压器原边绕组电流，IIn为输入电流，Ic为被测电容上电流，Is为变压器副边二极管D1上电流，通过观察被测电容上的电流可知：

[t0，t1]阶段：输入电源经低频脉动电流充电主电路给被测电容充电，被测电容上的电流Ic快速上升,被测电容端电压Vc快速上升，一直维持到t1时刻，此时电流Ic和电压Vc达到最大；该阶段被测电容也在进行进行高频放电.

[t1，t2]阶段：电解电容继续维持高频放电，一直到t2时刻。

图6和图7分别为被测电容充放电的仿真波形展开图，电路在进行上述过程的循环工作。

第二实施例

图8为本实用新型纹波电流产生电路第二实施例的电路原理图，与第一实施例不同的是，低频脉动电流充电电路中，低频脉动电流充电电路输入端连接直流源Vin的正极，并与二极管D2的阴极和电感L1的一端相连；电感L1的另一端作为低频脉动电流充电电路输出正极，并与被测电容C1的正极相连；二极管D2的阳极连接功率管Q2的漏极、控制驱动电路的参考地，功率管Q2的源极连接直流源Vin的负极。

本实施例的其他电路连接关系与工作原理与第一实施相同，在此不再累述。

第三实施例

图9为本实用新型纹波电流产生电路第三实施例电路原理图，与第一实施例不同的是：高频脉动电流放电电路中，变压器原边绕组的同名端作为高频脉动电流放电电路的输入端，连接功率管防护电路的一端，变压器原边绕组的异名端连接功率管防护电路另一端、功率管Q1漏极，功率管Q1源极连接控制驱动电路参考地、变压器副边绕组同名端，变压器副边绕组异名端连接二极管D1阳极，二极管D1阴极作为高频脉动电流放大电路的输出端连接直流源Vin的正极。

本实施例其他电路连接关系与工作原理与第一实施例相同，在此不再累述。

第四实施例

图10为本实用新型纹波电流产生电路第四实施例电路原理图，与第一实施例不同的是：各电路的连接关系为：

低频脉动电流充电电路中，低频脉动电流充电电路输入端连接直流源Vin的正极，并同时与二极管D2的阴极和电感L1的一端相连；电感L1的另一端作为低频脉动电流充电电路输出端与被测电容C1的正极相连；二极管D1的阳极连接功率管Q2的漏极、控制及驱动电路的参考地，功率管Q2的源极连接直流源Vin的负极。

高频脉动电流放电电路中，变压器原边绕组的同名端作为高频脉动电流放电电路的输入端连接功率管防护电路的一端，变压器原边绕组的异名端连接功率管防护电路另一端、功率管Q1漏极，功率管Q1源极连接控制驱动电路参考地、变压器副边绕组同名端，变压器副边绕组异名端连接二极管D1阳极，二极管D1阴极作为高频脉动电流放大电路的输出端连接直流源Vin的正极。

本实施例的工作原理与第一实施例基本一致，故不在这里赘述。

以上仅是本实用新型优选的实施方式，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体控制方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。