多模塊并聯型高壓直流電子負載功率控制電路設計

熊佳民，江學煥

（湖北汽車工業學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

動力電池是電動汽車的“心臟”，其質量決定了電動汽車的續航里程和加速性能［1］。因此，動力電池性能測試尤為重要。市場上電動車電池組的電壓普遍在48～600 V，用于測試的電子負載需具有較好的電壓兼容性［2］。高壓電池組測試要求功率控制電路具有較好的耐壓能力、分流能力、精度控制能力、散熱能力［3］。莫熙等人［4］用MOS管并聯組成功率電路，實現功率擴充和均流，但MOS管耐壓值有限，不適合高壓測試環境，功率電路結構不利于散熱和故障后的維修、替換；張林仙等人［5］用Boost電路控制MOS管的開通時間實現電壓電流的控制，但電路復雜，MOS 管工作噪聲大，影響系統控制精度。綜合上述分析，文中采用獨立信號控制的IGBT 并聯模塊組成功率電路，解決了上述功率模塊替換和擴展、分流和散熱問題，降低了系統復雜度，提升了系統控制可靠性。設定直流電子負載電壓為3～600 V、電流為0～50 A、功率為0～600 W，在達到動力電池測試條件基礎上，增大直流電子負載參數范圍，使測試對象多樣化。

1 原理分析及架構設計

1）電子負載原理 若測試的直流源處于穩態條件，則直流源表現為阻性負載特性，輸出電壓與負載電流滿足歐姆定律。若測試的直流源處于動態條件，則直流源表現為阻容負載和阻感負載特性［6］，如圖1 所示。虛框內電路為模擬負載。由圖1可得數學關系式：

圖1 阻感、阻容等值電路

式中：Ud為被測直流源輸出電壓；IRL、IRC分別為阻感、阻容等值電路中的電流。將式（1）轉化可得：

由式（2）可知，電子負載通過此模型方法，調節控制環路電流與輸入電壓的關系來模擬恒壓、恒流、恒阻模式中電壓與電流的關系，當負載電流曲線與非線性負載電流特性曲線近似的情況下，即可采用直流電子負載模擬非線性負載［7］。

2）IGBT 選型及其控制模型 與BJT 和MOS管相比，IGBT擁有更大的功率增益，更高的工作電壓和更低的輸入損耗，適用于高電壓功率電路［8］。文中選用集電極擊穿電壓1200 V、集電極擊穿電流25 A、耗散功率30 W 的MP25N120B 型IGBT 作為功率耗散器件，功率電路由2 個功率模塊組成，每個模塊采用10塊IGBT 并聯，以滿足0～600 W的功率條件。單模塊IGBT 功率控制電路模型如圖2所示，其中R1、R2為分壓電阻，R4為下拉保護電阻，R3為反饋回路電阻，R5為IGBT柵極限流電阻，R6為電流采樣電阻，Q1為IGBT，U1為運算放大器?？刂菩盘朧i與反饋信號比較后輸出VOUT，由VOUT控制IGBT工作在線性放大區。

圖2 單模塊IGBT功率控制電路模型

3）硬件系統整體架構 硬件系統由供電電源、單片機、電流電壓采集電路、D/A 輸入電路、功率電路、被測電源、A/D采樣電路、按鍵電路和顯示電路構成。系統上電后，通過按鍵電路設定電壓值和電流值，A/D 轉換電路采集電壓、電流采樣電阻兩端電壓信號送入單片機，單片機驅動顯示電路顯示測量電壓值和電流值，D/A轉換電路輸出參考電壓，最后由運放電路實現反饋恒流恒壓的效果。硬件系統總體框架見圖3，功率電路中單模塊結構見圖4，功率電路部分采用多模塊并聯的結構，各路IGBT增加運放，多路運放接入同一參考信號，使各路運放單獨控制對應IGBT 實現均流，避免因電路元件存在差異導致各電路電流分布不均問題［9］。

圖3 硬件系統總體框架

圖4 功率電路單模塊結構

2 硬件電路設計

直流電子負載常見工作模式分為恒流、恒壓和恒阻模式。恒流模式下，負載電流不隨輸入電壓改變，常用于檢測直流源，蓄電池恒流充放電；恒阻模式下，輸入電壓與輸入電流呈線性關系，電子負載等效成恒定電阻；恒壓模式下，負載電流依據所設定的負載值而定，能模擬電池端電壓，測試充電機。

1）恒流控制電路設計與分析 恒流控制電路如圖5所示。通過按鍵電路設置電流值，經A/D轉換電路、D/A 轉換電路輸出參考電壓信號（圖中信號“DAC”）由于電流為0～50 A可調，電流采樣電阻（康銅絲）阻值為0.1 Ω，因此采樣電壓Ui為0～5 V。為實現電流的控制，需將采集電壓降壓處理，反饋電阻R21取10 kΩ、R18取100 kΩ、R19取100 kΩ、R22取10 kΩ。根據同向放大比例器工作原理：

圖5 恒流控制電路

式中：U1為比較器U6的輸出電壓；U0為參考電壓。若負載電流增大，電阻R23的電壓大于U1時，比較器降低輸出，功率管導通程度減小，漏極回路電流減??；當負載電流減小，電阻R23的電壓小于U1時，比較器增大輸出，使功率管導通程度增大，回路電流增大［10］。在比較器U7反向輸入端經高速開通二極管IN4148 接入關斷信號，起到保護和鎖定電路的作用。由于恒流模式下，功率管工作在線性區，容易發熱，在電路板下方放置散熱片，加快散熱，防止其燒毀，保證功率管正常工作。

2）恒壓控制電路設計與分析 恒壓控制電路如圖6 所示。由于參考電壓不超過5 V，遠小于輸入電壓，現對輸入電壓進行處理。反饋電阻R36取600 Ω，根據式（3）計算出恒壓電路的采樣電壓為0.021～4.200 V，經運放U11后與參考電壓比較。當輸入電壓大于參考電壓時，比較器輸出增大，輸出電壓降低，實現恒壓的功能［10］。

圖6 恒壓控制電路

3）恒壓/流電路中放大倍數切換電路 采用4053設計恒壓/流電路中放大器放大倍數切換電路如圖7所示。圖7中“4053EN”為單片機輸出信號，“4053EN”為低電平時，4053 的引腳功能激活?！?053A”、“4053B”、“4053C”由單片機反饋得到，是引腳A、B、C 電平信號，高電平時，對應AY、BY、CY引腳接通，在外部接入合適阻值電阻，并連接到放大器輸入端，實現放大倍數量程的切換。

4）電壓采集電路設計與分析 TL084 工作溫度直接影響采樣電阻的溫度環境、精度和溫漂，進而影響系統輸出電壓和電流的精度。文中采用擁有低溫漂特性和高精度特性的精密電阻作為采樣電阻，以此來避免采樣電阻的溫漂問題。設計電路時，將采樣電阻盡量與發熱器件隔開，增加敷銅打孔來提高電路散熱能力。電壓采集電路設計如圖8所示，二極管D12、D13保護放大器，“DC+”為輸入電壓，“ADC_V”為采集電壓。

圖8 電壓采集電路

5）恒阻控制電路設計與分析 恒阻模式下，負載輸入電壓與電流成正比，比值為所設定的電阻值，通過改變電子負載的電壓實現電流的線性變化［11-12］。恒阻控制電路原理如圖9所示，Uin為外加電壓信號，引腳3 接收控制信號后，通過調節電阻器R101設定閾值電壓，采樣電阻R102的電流隨Uin線性變化，放大器同向輸入端電壓U+等于反向輸入端電壓U-，由此推導數學公式如下：

圖9 恒阻控制電路

聯立方程得：

式中：Iin為電阻R102輸入電流；R為R101右端電阻值。由式（5）可知，輸入電壓與電流呈線性關系，當R101值固定后，對某時刻而言，電壓變化引起電流變化且比值不變，實現恒阻控制。

6）過/欠壓保護電路設計與分析 根據窗口比較器輸入輸出特性，高閾值電壓可根據電阻R90、R91和滑動變阻器R88調節，低閾值電壓根據電阻R125、R126和滑動變阻器R107調節。文中電子負載工作電壓為3～600 V，計算得出600 V 對應的閾值電壓為2 V，3 V 對應的閾值電壓為0.01 V，采用雙通道低延遲比較器LM393組成的窗口比較器過/欠壓保護電路如圖10 所示。根據設計的電路圖，制作的功率電路控制板及IGBT功率板如圖11～12所示。

圖10 過/欠壓保護電路

圖11 功率電路實物

圖12 IGBT功率板實物

3 數據測量與實驗分析

1）不同功率下IGBT溫度 為驗證IGBT在功率范圍內發熱及功率電路散熱情況，設定測試時間為3 min、功率增量為100 W、環境溫度為23 ℃，在100～600 W 功率下用測溫槍測量IGBT 溫度，記錄溫度數據如表1所示。由表1可知，在不同功率下，IGBT溫度變化良好，散熱系統能快速有效的工作，使IGBT溫度保持在35 ℃以下，在安全范圍內。

表1 不同功率情況下IGBT工作溫度 ℃

2）電路保護測試 直流電子負載保護測試包括過流保護測試和過壓保護測試。過流保護測試使用可編程直流負載IT8830B與系統串聯，設置為恒阻模式，阻值為0.02 Ω。設定負載兩端電壓為5 V，數據曲線如圖13 所示。過壓欠壓保護測試使用IT6322A 作為被測電源，設置為恒流模式，電流值為0.5 A，觀察系統各測量值，得出數據曲線如圖14所示。由圖14 可知，負載電流在開關管閾值電壓（5.6 V）附近緩慢增加，達到完全開啟電壓（6.5 V）后電流和控制電壓線性變化，電流超過限流值51 A后，電路保護響應，電流值降為0 A。從圖14 中可看出，電壓低于3 V 和超過600 V 狀態下電路保護很快響應。綜合分析可知系統的過流過壓保護電路都能有效工作。

圖13 過流保護測試數據曲線圖

圖14 過壓保護測試數據曲線圖

3）恒壓模式控制精度測試 將600 V/3 A 直流源接入直流電子負載，恒壓工作電壓間隔為50 V，設置為恒壓工作模式，測得負載兩端的電壓值如表2所示。由表2可知，在恒壓模式下直流電子負載功率控制的相對誤差最大為0.23%，滿足設計要求和實際工程應用需求。

表2 恒壓模式下直流電子負載電壓

4）恒流模式控制精度測試 將IT8830B 串聯接入電路，被測電源接入電子負載，設置恒流工作模式，恒流放電的電流值間隔為5 A，記錄IT8830B測量數據如表3所示。分析表3數據可知，恒流模式下電路控制精度相對誤差最大為0.28%，滿足設計要求及實際工程需求。

表3 恒流模式下直流電子負載電流

4 結論

文中對電子負載的多模塊并聯結構功率電路以及控制方式進行了研究，對其工作模式和原理進行了介紹，對電路控制精度以及保護措施進行了測試，試驗證明，在600 V/50 A的范圍內，功率模塊上的IGBT 應并聯10 塊，功率電路由2 組功率模塊并接，每組IGBT 分流均勻，負載能達到600 W 的功率。該功率電路結構以及控制方式能有效提高功率模塊分流、散熱、維修替換及功率擴展能力，對能耗型電子負載的研究具有一定指導意義。