维普资讯 http://www.cqvip.com 第１０卷第８期 电涤艘 应用 Ｖｏ１．１０ Ｎｏ．８ ２００７年８月 ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ Ａｕｇｕｓｔ ２００７ 基于新型电子负载恒流放电设备的研究 高嘉英， 高玉峰， 刘亚龙 （装甲兵工程学院控制系， 北京 １０００７２） 摘要：设计了以ＰＩ调节器作为控制器的恒流放电装置，以工作于线性区的ＭＯＳＦＥＴ和功率电阻 相结合作为电子负载。各支路间采取按电流自动均流技术动态平衡支路放电功率，提高可靠性。整 机设计结构简单、放电电流控制精度高，能实现多机并联工作，提高放电电流。 关键词：ＭＯＳＦＥＴ；电子负载；动态均流 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｉｔｈ Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｏａｄ ＧＡＯ Ｊｉａ－ｙｉｎｇ． ＧＡＯ Ｙｕ—ｆｅｎｇ。ＬＩＵ Ｙａ—ｌｏｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｒｍｏｒｅｄ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ—ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｄｅｖｉｃｅ ｕｓｅｄ ＰＩ ａｄｊｕｓｔｅｒ ａｓ ｃｏｎｔｏｒｌｌｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，Ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔａｋｅｓ ｂｏｔｈ ＭＯＳＦＥＴ ａｎｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｓ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｄｏｐｔ ａｕｔｏ－ｅｑｕａｌ—ｆｌｏｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｔｏ ｂａｌａｎｃｅ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｅｖｅｒｙ ｓｐｕｒ ｔｒａｃｋｓ，Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｂｒｉｅｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ｅｎｌａｒｇｅ ｐｏｗｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｈｉｇｈ， Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＯＳＦＥＴ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ；ｄｙｎａｍｉｃ ｅｑｕａｌ—ｆｌｏｗ 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２１９—２７１３（２００７）０８—００４８—０４ ０ 引言 １ 总体电路设计 在蓄电池的使用过程中，容量检查是经常性 由于单个ＭＯＳＦＥＴ的功率有限，此次设计的 的工作，在一定时间内的恒流放电就是判断其能 恒流放电设备采用１０个支路并联的形式进行放 否继续工作的重要手段。放电过程中需使用大功 电，提高工作的可靠性。设计中将ＭＯＳＦＥＴ作为线 率负载，目前使用的多为可变电阻箱，需要人工调 性调整器件使用（调节栅极电压使ＭＯＳＦＥＴ工作 节放电电流，控制精度低；也有采用开关电源升压 于线性区），通过控制栅极电压的大小来调整主电 电路的方法，通过调节占空比控制加在负载两端 路中的电流，各支路中串接有大功率电阻分担部 的电压，这种方法开关损耗大，电流脉动。本文设 分功率。电路结构如图１所示。 计的放电设备利用大功率高场阻ＭＯＳＦＥＴ开关器 件与功率电阻相结合作为电子负载，通过ＰＩ控制 ２ 控制电路设计 和均流技术使得电子负载达到可控恒流放电。其 结构简单，放电电流控制精度高，负载调节范围 恒流控制环节采用了ＰＩ控制方式，实现放电 大，体积小，可靠性高。 电流高精度的调节。在控制电路设计中，放电总电 流由霍尔传感器来检测，其输出信号（正电压）与 收稿日期：２００６—１０—２０ 放电电流给定信号（负电压）叠加，由ＰＩ电路调节 ４８ 维普资讯 http://www.cqvip.com ★技术交麓 基于新型电子负载恒流放电设备的研究—— Ｒ１０ 图１ 恒流放电设备原理图 和同相放大后经电压跟随器作用于功率开关管的 差。为减小这种误差可以采用ＵＣ３９０７负载均流 调节器集成电路，该芯片用单向缓冲器代替二极 管，可以简化设计并减小误差。 栅极。其原理图如图２所示（仅以两路为例）。 图２中ｕｍ及ｕ，。运放分别构成两支路的比 例积分调节器。ｕ。 、Ｕ。。、ｕ。ｃ，ｕ 、ｕ 、ｕ 分别为两 支路的均流比较环节。 ３ 功率器件的选择 放电装置的功率器件ＭＯＳＦＥＴ和功率电阻组 此次设计采用１Ｏ支路并联结构，由于各个 ＭＯＳＦＥＴ以及各支路放电电阻参数的差异，流过 各个支路的电流不可能完全相等，需用均流电路 均分各支路的电流，进而实现功率均分。设计中按 电流自动均流法，将支路电流最大的ＭＯＳＦＥＴ漏 极电压信号反馈到公共的均流母线ＳＣＢ上，其他 成，其参数的合理选择对于实现大功率放电和均 流有重要意义。 功率电阻在放电支路中消耗部分能量，减轻 功率开关管的功率损耗，支路电流，防止由于 失控造成开关管完全开通而烧毁。设计所针对的 各支路漏极电压信号和该信号经过相减运算后与 ＰＩ调节器产生的控制驱动信号叠加提高驱动电 压，促使这些支路的电流提高，实现动态均流。 蓄电池放电参数要求端压范围是２０～３１ Ｖ，放电电 流为５３ Ａ。设计中采用１０个支路并联的形式，当 均流效果良好时，各支路最大电流为５．３ Ａ，所以 选用的电阻应该小于４ ｎ。实际应用中选用的是 以两支路为例（各支路控制电路参数一致）， 具体工作原理如下： ＝一 ， ＝一 （反相运算放 大电路比例系数为１：１），假设由于各支路参数不 同，两个支路的放电电流出现了差异，例如支路１ 放电电流较大，则：Ｕ，＜Ｕ２，且 ＝ｕ， ；当 与 叠加后，将使 的输出为正而 输出为零，在 的作用下，对应功率开关管ｓ 的栅极电压将增 加，其结果是增大ｓ 所处支路的电流增大，由于 总电流不变（负反馈控制作用），造成流过ｓ。支路 的电流减小，实现支路之间的动态电流平衡。 因为与均流母线相连的二极管有正向导通压 ２￣／１２５ Ｗ，３￣／１５０Ｗ电阻（分两组进行试验）。 功率开关管是电子负载的重要耗能器件，本 次设计选用仙童公司的ＭＯＳＦＥＴ开关管 ＦＱＬ４０Ｎ５０Ｆ，耗散功率为Ｐｏ＝４６０ Ｗ，耗散功率衰减 系数 ＝３．７Ｗ／℃。其具体参数为：最大漏一源极电压 Ｖ璐＝５００Ｖ；最大漏一源极电流ＩＤ＝４０Ａ；导通电阻 ＲＩ￣ｏｎ）＝０．１１ ｎ。 ４ 试验结果分析 放电试验中采用ＳＡＦＴ航空蓄电池，每次放 ４９ 降，采用这种检测最大电流均流方法有一定的误 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１０卷第８期 ２００７年８月 奄涤柱 石月 ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＩ Ｙ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＵＣＡＴＩＯＮＳ Ｖｏ１．１０ Ｎｏ．８ Ａｕｇｕｓｔ ２００７ 图２ 控制均流电路原理图 电前将蓄电池两端电压调整为２９．１ Ｖ，放电电流 的最大电压差为２．１ Ｖ，折算为电流为０．７ Ａ，各支 路间的电流存在着严重的不均分现象。支路５以 及支路７的放电电阻与其相对应的ＭＯＳＦＥＴ连接 导线最长，说明布局导致的各支路电阻不一致影 响均流的效果。 表２数据表明：由于ＭＯＳＦＥＴ漏极所接放电 为５３Ａ。分别对无均流控制电路带２ｎ和３ｎ以 及有均流控制电路带３ ｎ电阻三种状况进行放电 试验。 表１数据表明：支路５以及支路７这两路的 ＭＯＳＦＥＴ没有导通，支路电流为０。其他导通支路 表１ 无均流电路功率电阻为２１１时测试数据表 维普资讯 http://www.cqvip.com ★技术交麓 基于新型电子负载恒流放电设备的研究 电阻的增大，想要放出５３ Ａ的电流各ＭＯＳＦＥＴ的 部分能量转化，具有结构简单，恒流放电精度和可 靠性高，易于实现自动化控制等优点。其连续的电 流放电形式可以确保容量计算的可靠性，相关的 产品具有广泛的应用前景。 参考文献 【１】蔡宣三．并联开关电源的均流技术『Ｊ】．电工电能新技 术，１９９５，（３）：１２—１６． 驱动电压稍有提高，增大了驱动能力，原来支路５ 以及支路７的ＭＯＳＦＥＴ导通。说明使驱动电压位 于线性区的中部对于均流有一定的效果。导通支 路的最大电压差为４．２Ｖ，折算成电流为１＿４Ａ，各 支路间的电流仍存在不均分现象，而且随着时间 的延长这种现象没有得到缓解。 表３数据表明：加均流电路后，各支路放电电 【２】王昕，汪至中，姜学东．有源逆变在大功率电子负载上 的应用［Ｊ１．机车电传动，２００１，（３）． 阻两端电压最大差值为１．７ Ｖ，均流效果良好。一 个小时后其值为１．８Ｖ，变化很小，稳定性较高。 ［３１胡松涛．自动控制原理【Ｍ】．北京：科学出版社，２００１． 表３ 加均流电路功率电阻为３１１时测试数据表 ５ 结语 此次设计的恒流放电设备以工作于线性区的 功率开关管ＭＯＳＦＥＴ作为电子负载，承担装置的 作者简介 高嘉英（１９８３一），男，硕士研究生，研究方向为电力电 子技术及智能充电方面。 ５１
