一种恒流型大功率电子负载控制电路的制作方法
一种恒流型大功率电子负载控制电路的制作方法
【专利摘要】针对现有的恒流型大功率电子负载的控制电路容易发生震荡，造成系统失稳的问题，本发明提出了一种恒流型大功率电子负载控制电路，在原有的控制电路与IGBT功率电路之间增加驱动级电路，以及在原有的控制电路上增加补偿环节电路，通过合理的补偿参数设计，实现了大功率恒流型电子负载控制环路稳定，确保了在IGBT寄生参数影响下，环路仍旧保持稳定工作。
【专利说明】一种恒流型大功率电子负载控制电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子负载控制领域，特别涉及一种电子负载的控制电路。
【背景技术】
[0002] 电子负载的工作原理是控制内部功率M0SFET或晶体管的驱动电平，依靠功率管 工作在线性区的方法耗散功率，它是测试开关电源时必不可少的设备。恒流型电子负载是 电子负载使用过程中最为常用的模式，基本原理图附图1所示。
[0003] 当处理功率较大达到几千瓦时，使用M0SFET需要多组并联，设备可靠性易降低， 此时使用绝缘栅双极型晶体管IGBT较为合适。但是IGBT的门极寄生电容比M0SFET大很 多倍，当用作恒流型电子负载时，若采用传统控制方式（如附图2所示），得到的驱动信号 及电流波形发生振荡，系统稳定性差。若不针对控制环路进行稳定性设计，则易造成系统失 稳。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种恒流型大功率电子负载的控制电路，实现大功率恒流 型电子负载控制环路稳定，确保在IGBT寄生电容的影响下，环路仍旧保持稳定工作，为了 达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
[0005] -种恒流型电子负载的控制电路，其特征在于：所述控制电路包括放大环节电路、 补偿环节电路和驱动级电路；所述补偿环节电路包括一个比较器、两个电容C1和C1、一个 电阻R5,比较器的一个输入端连接参考控制信号，另一个输入端连接放大环节电路的输出； 所述放大环节电路，将IBBT电子负载采样电压放大后输出到比较器；所述驱动级电路位于 补偿环节电路的比较器的输出端与电子负载的输入端之间，由此构成了一个控制环路；所 述驱动级电路用于提高控制环路的驱动能力，包括一个N沟道增强型M0SFET、一个三极管 和两个电阻Rl、R2,其中，三极管的基极连接M0SFET的源极，三极管的集电极和M0SFET的 漏极接供电电压Vcc，三极管的发射极通过电阻R2接地，三极管的基极通过电路R2连接三 极管的发射极，M0SFET的栅极为驱动级电路的输入端，用于连接比较器的输出，三极管的发 射极为驱动级电路的输出，用于连接IGBT电子负载；所述补偿环节电路为比较器的输出端 和比较器的连接放大环节电路的输入端之间并联两路补偿器件，其中，一路为电容C1，另一 路为电容C2串联电阻R5 ;C1的一端连接比较器的输出端，另一端连接比较器的连接放大环 节电路的输入端；电容C2的一端连接比较器的输出端，R5的一端连接比较器的连接放大环 节电路的输入端。
[0006] 进一步地，通过调节Cl、C2以及R5的参数值，采用单零点双极点的补偿方式即在 复平面中添加原点极点作为主导极点，消去右半平面的偶极子的影响，使得闭环传递函数 的特征方程的所有特征根均处于复平面的左半平面，所述恒流型电子负载的控制电路闭环 系统稳定。
[0007] 本发明的有益效果是：本发明的恒流型大功率电子负载控制电路，采用增加驱动 级和补偿环节、设计补偿参数，实现了大功率恒流型电子负载控制环路稳定，确保了在IGBT 寄生参数影响下，环路仍旧保持稳定工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是恒流型电子负载的基本原理图；
[0009] 图2是传统的恒流型电子负载的控制电路示意图；
[0010] 图3是增加驱动环节电路后的恒流型大功率电子负载控制电路图；
[0011] 图4是增加驱动环节电路后的控制电路各环节的小信号模型图；
[0012] 图5是未采用补偿环节电路后的开环根轨迹图；
[0013] 图6是本发明的恒流型大功率电子负载控制电路图；
[0014] 图7是采用补偿环节电路后的开环根轨迹图；
[0015] 图8是采用本发明的控制电路的实测系统在启动瞬间驱动电压及电流波形示意 图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合【专利附图】
【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0017] 恒流型电子负载是电子负载使用过程中最为常用的模式，基本原理图如附图1所 示，晶体管（M0SFET/IGBT)连接待测电源，消耗待测电源的功率，晶体管的采样电压通过放 大电路放大后，与控制信号的电压通过比较器进行比较得到驱动信号，比较器输出的驱动 信号驱动晶体管工作。
[0018] 传统的恒流型电子负载的控制电路，如附图2所示，IGBT的集电极连接待测电源。 通过采样电阻采样IGBT的发射极的电压，与参考电压通过比较器进行比较，比较器的输出 连接IGBT的门极。
[0019] 为了解决驱动信号及电流波形容易发生振荡，系统稳定性差的问题，如附图3所 示，本发明首先在比较器与IGBT之间增加驱动级电路，提高控制环路的驱动能力。驱动级 电路包括一个N沟道增强型M0SFET、一个三极管和两个电阻Rl、R2。三极管的基极连接 M0SFET的源极，三极管的集电极和M0SFET的漏极接供电电压Vcc，三极管的发射极通过电 阻R2接地，三极管的基极通过电路R2连接三极管的发射极，M0SFET的栅极为驱动级电路的 输入端，用于连接比较器的输出，三极管的发射极为驱动级电路的输出，用于连接IGBT电 路。
[0020] 控制环路由三部分构成，G%为放大环节的传递函数，GdHve,为驱动级环节的传递 函数，G rcBT为工作于恒流负载的IGBT环节的传递函数。针对闭环系统，将附图3的电路转 化为如附图4所示的增加驱动环节电路后的控制电路各环节的小信号模型。带入实际参数 值，对开环数值传递函数进行Mat lab画出根轨迹图如附图5所示，可以看出此时的开环传 递函数中存在右半平面偶极子，为了使补偿后的驱动网络的阶跃响应呈惯性阻尼形式上升 至稳态，并且可抵消图中开环根轨迹图中的右半平面的偶极子的影响，故采用单零点双极 点的补偿方式，得到如附图6所示的本发明的恒流型大功率电子负载控制电路图。
[0021] 从附图6可以看出，本发明的恒流型大功率电子负载控制电路，是在比较器与 IGBT之间增加驱动级电路后，又在比较器电路上增加补偿环节，以提高系统的稳定性。补偿 环节通过以下手段实现：
[0022] 在比较器的输出端和比较器的连接放大环节电路的输入端之间并联两路补偿器 件，其中，一路为一电容C1，另一路为一电容C2串联一电阻R5。C1的一端连接比较器的输 出端，另一端连接比较器的连接放大环节电路的输入端；电容C2的一端连接比较器的输出 端，R5的一端连接比较器的连接放大环节电路的输入端。
[0023] 此时环路补偿环节的传递函数为： q __l + i?6C^_
[0024] R,(Ci+C2)s(l + R6-^^s
[0025] 为了抵消开环根轨迹右半平面的偶极子对系统所造成的不稳定的影响，采用单零 点双极点的补偿方式即在复平面中添加原点极点作为主导极点，可消去右半平面的偶极子 的影响，从而可将偶极子进行相互抵消。通过设计Cl、C2以及R5的参数值，得到补偿后的 开环根轨迹图如附图7所示。补偿后的开环根轨迹图表明，其对应的闭环传递函数的特征 方程的所有特征根均处于复平面的左半平面，闭环系统稳定。
[0026] 此时，通过实测系统测试，本发明的恒流型大功率电子负载控制电路启动瞬间驱 动电压及电流波形如附图8所示，系统可稳定工作。
[0027] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护范围。
【权利要求】
1. 一种恒流型电子负载的控制电路，其特征在于：所述控制电路包括放大环节电路、 补偿环节电路和驱动级电路；所述补偿环节电路包括一个比较器、两个电容C1和C1、一个 电阻R5,比较器的一个输入端连接参考控制信号，另一个输入端连接放大环节电路的输出； 所述放大环节电路，将IBBT电子负载采样电压放大后输出到比较器；所述驱动级电路位于 补偿环节电路的比较器的输出端与电子负载的输入端之间，由此构成了一个控制环路；所 述驱动级电路用于提高控制环路的驱动能力，包括一个N沟道增强型MOSFET、一个三极管 和两个电阻Rl、R2,其中，三极管的基极连接MOSFET的源极，三极管的集电极和MOSFET的 漏极接供电电压Vcc，三极管的发射极通过电阻R2接地，三极管的基极通过电路R2连接三 极管的发射极，MOSFET的栅极为驱动级电路的输入端，用于连接比较器的输出，三极管的发 射极为驱动级电路的输出，用于连接IGBT电子负载；所述补偿环节电路为比较器的输出端 和比较器的连接放大环节电路的输入端之间并联两路补偿器件，其中，一路为电容C1，另一 路为电容C2串联电阻R5 ;C1的一端连接比较器的输出端，另一端连接比较器的连接放大环 节电路的输入端；电容C2的一端连接比较器的输出端，R5的一端连接比较器的连接放大环 节电路的输入端。
2. 根据权利要求1所述的恒流型电子负载的控制电路，其特征在于：通过调节Cl、C2 以及R5的参数值，采用单零点双极点的补偿方式即在复平面中添加原点极点作为主导极 点，消去右半平面的偶极子的影响，使得闭环传递函数的特征方程的所有特征根均处于复 平面的左半平面，所述恒流型电子负载的控制电路闭环系统稳定。
【文档编号】G05F1/625GK104102268SQ201410339245
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】张东来 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院, 北京空间飞行器总体设计部
【专利摘要】针对现有的恒流型大功率电子负载的控制电路容易发生震荡，造成系统失稳的问题，本发明提出了一种恒流型大功率电子负载控制电路，在原有的控制电路与IGBT功率电路之间增加驱动级电路，以及在原有的控制电路上增加补偿环节电路，通过合理的补偿参数设计，实现了大功率恒流型电子负载控制环路稳定，确保了在IGBT寄生参数影响下，环路仍旧保持稳定工作。
【专利说明】一种恒流型大功率电子负载控制电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子负载控制领域，特别涉及一种电子负载的控制电路。
【背景技术】
[0002] 电子负载的工作原理是控制内部功率M0SFET或晶体管的驱动电平，依靠功率管 工作在线性区的方法耗散功率，它是测试开关电源时必不可少的设备。恒流型电子负载是 电子负载使用过程中最为常用的模式，基本原理图附图1所示。
[0003] 当处理功率较大达到几千瓦时，使用M0SFET需要多组并联，设备可靠性易降低， 此时使用绝缘栅双极型晶体管IGBT较为合适。但是IGBT的门极寄生电容比M0SFET大很 多倍，当用作恒流型电子负载时，若采用传统控制方式（如附图2所示），得到的驱动信号 及电流波形发生振荡，系统稳定性差。若不针对控制环路进行稳定性设计，则易造成系统失 稳。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种恒流型大功率电子负载的控制电路，实现大功率恒流 型电子负载控制环路稳定，确保在IGBT寄生电容的影响下，环路仍旧保持稳定工作，为了 达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
[0005] -种恒流型电子负载的控制电路，其特征在于：所述控制电路包括放大环节电路、 补偿环节电路和驱动级电路；所述补偿环节电路包括一个比较器、两个电容C1和C1、一个 电阻R5,比较器的一个输入端连接参考控制信号，另一个输入端连接放大环节电路的输出； 所述放大环节电路，将IBBT电子负载采样电压放大后输出到比较器；所述驱动级电路位于 补偿环节电路的比较器的输出端与电子负载的输入端之间，由此构成了一个控制环路；所 述驱动级电路用于提高控制环路的驱动能力，包括一个N沟道增强型M0SFET、一个三极管 和两个电阻Rl、R2,其中，三极管的基极连接M0SFET的源极，三极管的集电极和M0SFET的 漏极接供电电压Vcc，三极管的发射极通过电阻R2接地，三极管的基极通过电路R2连接三 极管的发射极，M0SFET的栅极为驱动级电路的输入端，用于连接比较器的输出，三极管的发 射极为驱动级电路的输出，用于连接IGBT电子负载；所述补偿环节电路为比较器的输出端 和比较器的连接放大环节电路的输入端之间并联两路补偿器件，其中，一路为电容C1，另一 路为电容C2串联电阻R5 ;C1的一端连接比较器的输出端，另一端连接比较器的连接放大环 节电路的输入端；电容C2的一端连接比较器的输出端，R5的一端连接比较器的连接放大环 节电路的输入端。
[0006] 进一步地，通过调节Cl、C2以及R5的参数值，采用单零点双极点的补偿方式即在 复平面中添加原点极点作为主导极点，消去右半平面的偶极子的影响，使得闭环传递函数 的特征方程的所有特征根均处于复平面的左半平面，所述恒流型电子负载的控制电路闭环 系统稳定。
[0007] 本发明的有益效果是：本发明的恒流型大功率电子负载控制电路，采用增加驱动 级和补偿环节、设计补偿参数，实现了大功率恒流型电子负载控制环路稳定，确保了在IGBT 寄生参数影响下，环路仍旧保持稳定工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是恒流型电子负载的基本原理图；
[0009] 图2是传统的恒流型电子负载的控制电路示意图；
[0010] 图3是增加驱动环节电路后的恒流型大功率电子负载控制电路图；
[0011] 图4是增加驱动环节电路后的控制电路各环节的小信号模型图；
[0012] 图5是未采用补偿环节电路后的开环根轨迹图；
[0013] 图6是本发明的恒流型大功率电子负载控制电路图；
[0014] 图7是采用补偿环节电路后的开环根轨迹图；
[0015] 图8是采用本发明的控制电路的实测系统在启动瞬间驱动电压及电流波形示意 图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合【专利附图】
【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0017] 恒流型电子负载是电子负载使用过程中最为常用的模式，基本原理图如附图1所 示，晶体管（M0SFET/IGBT)连接待测电源，消耗待测电源的功率，晶体管的采样电压通过放 大电路放大后，与控制信号的电压通过比较器进行比较得到驱动信号，比较器输出的驱动 信号驱动晶体管工作。
[0018] 传统的恒流型电子负载的控制电路，如附图2所示，IGBT的集电极连接待测电源。 通过采样电阻采样IGBT的发射极的电压，与参考电压通过比较器进行比较，比较器的输出 连接IGBT的门极。
[0019] 为了解决驱动信号及电流波形容易发生振荡，系统稳定性差的问题，如附图3所 示，本发明首先在比较器与IGBT之间增加驱动级电路，提高控制环路的驱动能力。驱动级 电路包括一个N沟道增强型M0SFET、一个三极管和两个电阻Rl、R2。三极管的基极连接 M0SFET的源极，三极管的集电极和M0SFET的漏极接供电电压Vcc，三极管的发射极通过电 阻R2接地，三极管的基极通过电路R2连接三极管的发射极，M0SFET的栅极为驱动级电路的 输入端，用于连接比较器的输出，三极管的发射极为驱动级电路的输出，用于连接IGBT电 路。
[0020] 控制环路由三部分构成，G%为放大环节的传递函数，GdHve,为驱动级环节的传递 函数，G rcBT为工作于恒流负载的IGBT环节的传递函数。针对闭环系统，将附图3的电路转 化为如附图4所示的增加驱动环节电路后的控制电路各环节的小信号模型。带入实际参数 值，对开环数值传递函数进行Mat lab画出根轨迹图如附图5所示，可以看出此时的开环传 递函数中存在右半平面偶极子，为了使补偿后的驱动网络的阶跃响应呈惯性阻尼形式上升 至稳态，并且可抵消图中开环根轨迹图中的右半平面的偶极子的影响，故采用单零点双极 点的补偿方式，得到如附图6所示的本发明的恒流型大功率电子负载控制电路图。
[0021] 从附图6可以看出，本发明的恒流型大功率电子负载控制电路，是在比较器与 IGBT之间增加驱动级电路后，又在比较器电路上增加补偿环节，以提高系统的稳定性。补偿 环节通过以下手段实现：
[0022] 在比较器的输出端和比较器的连接放大环节电路的输入端之间并联两路补偿器 件，其中，一路为一电容C1，另一路为一电容C2串联一电阻R5。C1的一端连接比较器的输 出端，另一端连接比较器的连接放大环节电路的输入端；电容C2的一端连接比较器的输出 端，R5的一端连接比较器的连接放大环节电路的输入端。
[0023] 此时环路补偿环节的传递函数为： q __l + i?6C^_
[0024] R,(Ci+C2)s(l + R6-^^s
[0025] 为了抵消开环根轨迹右半平面的偶极子对系统所造成的不稳定的影响，采用单零 点双极点的补偿方式即在复平面中添加原点极点作为主导极点，可消去右半平面的偶极子 的影响，从而可将偶极子进行相互抵消。通过设计Cl、C2以及R5的参数值，得到补偿后的 开环根轨迹图如附图7所示。补偿后的开环根轨迹图表明，其对应的闭环传递函数的特征 方程的所有特征根均处于复平面的左半平面，闭环系统稳定。
[0026] 此时，通过实测系统测试，本发明的恒流型大功率电子负载控制电路启动瞬间驱 动电压及电流波形如附图8所示，系统可稳定工作。
[0027] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护范围。
【权利要求】
1. 一种恒流型电子负载的控制电路，其特征在于：所述控制电路包括放大环节电路、 补偿环节电路和驱动级电路；所述补偿环节电路包括一个比较器、两个电容C1和C1、一个 电阻R5,比较器的一个输入端连接参考控制信号，另一个输入端连接放大环节电路的输出； 所述放大环节电路，将IBBT电子负载采样电压放大后输出到比较器；所述驱动级电路位于 补偿环节电路的比较器的输出端与电子负载的输入端之间，由此构成了一个控制环路；所 述驱动级电路用于提高控制环路的驱动能力，包括一个N沟道增强型MOSFET、一个三极管 和两个电阻Rl、R2,其中，三极管的基极连接MOSFET的源极，三极管的集电极和MOSFET的 漏极接供电电压Vcc，三极管的发射极通过电阻R2接地，三极管的基极通过电路R2连接三 极管的发射极，MOSFET的栅极为驱动级电路的输入端，用于连接比较器的输出，三极管的发 射极为驱动级电路的输出，用于连接IGBT电子负载；所述补偿环节电路为比较器的输出端 和比较器的连接放大环节电路的输入端之间并联两路补偿器件，其中，一路为电容C1，另一 路为电容C2串联电阻R5 ;C1的一端连接比较器的输出端，另一端连接比较器的连接放大环 节电路的输入端；电容C2的一端连接比较器的输出端，R5的一端连接比较器的连接放大环 节电路的输入端。
2. 根据权利要求1所述的恒流型电子负载的控制电路，其特征在于：通过调节Cl、C2 以及R5的参数值，采用单零点双极点的补偿方式即在复平面中添加原点极点作为主导极 点，消去右半平面的偶极子的影响，使得闭环传递函数的特征方程的所有特征根均处于复 平面的左半平面，所述恒流型电子负载的控制电路闭环系统稳定。
【文档编号】G05F1/625GK104102268SQ201410339245
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】张东来 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院, 北京空间飞行器总体设计部
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