功耗均衡式50 A恒流源关键技术研究

亓东欣,韩建辉,张 威,田小建

(吉林大学 电子科学与工程学院,长春 130012)

0 引 言

恒流源作为稳定电源的分支,在激光、超导、电光源、现代通信、传感技术、测量技术以及电子仪器等方面都有广泛应用,在电源的研究领域中有非常广阔的发展空间。应用于大功率半导体激光器的恒流源的发展,与大功率半导体激光器自身的发展程度息息相关。 随着大功率半导体激光器在工业、医学、军事等领域的广泛应用,对高稳定度、高可靠性、大电流以及高功率输出的大功率半导体激光器恒流源的研究也越来越重要,受到国内外科研机构的重视。

然而恒流源的高稳定性、高可靠性、大电流和高功率输出等设计问题,一直是困扰设计者的难题。尤其是具有功耗均衡功能的恒流源。随着半导体技术的发展,虽然单管也能输出较大的电流,但其承受的功耗太大,这对散热以及整个系统的可靠性是艰巨的挑战。目前,具有高稳定性、高可靠性、大电流、高功率输出以及功耗均衡等功能的恒流源产品较少,而其市场需求却在不断增长。因此,对该项技术的研究具有非常重要的科学意义和商业价值。

为解决上述恒流源系统在设计方面存在的难题,即实现恒流源的高稳定性、高可靠性、大电流、高功率输出以及功耗均衡等功能,笔者在恒流源系统的设计方面,采用低灵敏度功率放大管冗余并联的方法,以提高系统的可靠性； 采用高精度基准电压源以及基于加法器采样的电流串联负反馈方法,以提高系统的稳定性,在输出电流50 A时,稳定度达到982 ppm；在保持该稳定度的条件下,系统实现了50 A的大电流和350 W的高功率输出； 并且选用功率三极管2N3055实现了系统的功耗均衡[1-3]。

1 恒流源系统原理及设计

笔者设计的恒流源系统主要由以下两个模块构成：电压基准与输出调节控制模块和导纳放大器模块。其中由电压基准与输出调节控制模块中的精密基准电压源产生一个基准电压,然后由电位器对该基准电压进行分压,并将分压结果馈入导纳放大模块,由该电压控制产生稳定的连续可调的输出电流。

1.1 电压基准与输出调节控制模块设计

图1 电压基准与输出调节控制电路

为保证电压基准与输出调节控制模块输出的控制电压具有较高的稳定性,需要采用高稳定精度的基准电压源； 为保护用电负载,电压基准与输出调节控制模块需要对输出电流进行限制； 为实现恒流源系统电流的连续可调,需要为导纳放大模块提供连续可调的控制电压。设计的电压基准与输出调节控制模块电路如图1所示。

基准电压的稳定程度将直接影响输出电流的稳定性。在该设计中,采用精密基准电压源作为电压基准与输出调节控制电路的核心,型号为MAX6225,其输出电压为2.5 V,长期稳定度为20 ppm,具有较高的稳定度。高精度基准电压源输出的基准电压通过由U1B构成的电压放大电路进行放大,放大后的电压与高精度基准电压源具有相同的稳定度。该电压经电位器P1调节,控制输出的控制电压大小,进而限制输出电流的大小。传统限流的方法是使用限流管在电路的末级限制输出电流的大小,但由于设计的输出电流很大,若使用末级限流的方法,其设计成本和复杂度都会有很大程度地增加。所以,笔者采用控制端限流的方法保护用电负载。通过电位器P2调节控制电压的大小,以便调节输出电流的大小,并基于运放U1A组成了电压跟随器,对电路隔离缓冲。

1.2 导纳放大模块设计

为实现电流控制,需要将电压基准与输出调节控制模块产生的控制电压转化为驱动电流； 为实现大电流输出,需要在驱动电流的驱动下,将该电流放大为0～50 A连续可调输出； 为进一步提高恒流源系统的稳定性,需要对输出电流进行采样负反馈[4,5]。设计的导纳放大模块电路如图2所示。

由于三极管是电流控制器件,所以需要将电压基准与输出调节控制电路所产生的控制电压转换为驱动电流,控制电压通过由U2A与Q1构成的导纳放大器,将控制电压转换为驱动电流。把驱动电流馈入并联的N只(偶数)功率三极管进一步均流放大,通过调节控制电压,实现0～50 A大电流的连续可调输出。将驱动电流放大后通过采样电阻进行采样,并将采样电压经过负反馈回路反馈到运放U2A的反相输入端。图2中RS1～RS6为同阻值(0.1 Ω)的采样电阻(材料为康铜丝),并且每两只功率三极管共同使用一个采样电阻,将各采样电阻上获得的采样电压利用运算放大器加法器的原理并联加在集成运算放大器U2B的同相输入端,即加法器电路,并将相加结果经过放大后与控制电压进行比较,这样的采样方式既简化了电路结构又减小采样电阻由于温漂而产生的对输出电流稳定性的影响[6-11]。

图2 电流串联负反馈电路

设计中采用功率三极管冗余并联的方法达到输出大电流和均流的目的。目前,市场上的电流放大器件主要有三极管和场效应管。场效应管与三极管相比较,具有较多的优点,但场效应管的参数离散性相对较大,并且其配对方法对实验设备的要求较高,而功率三极管的配对则相对较简单。根据三极管放大特性可知

IC=βIB

(1)

由式(1)以及图2可知,功率集电极电流

ICi=βiIBi

(2)

其中i=1,2,…,N,βi为相对应的功率三极管的增益。由式(2)可推出各功率三极管的偏移量

ΔICi=dIi/dβiΔβi=IBiΔβi=ΔβiβdIBd/N

(3)

其中βd为高灵敏度三极管Q的增益,IBd为Q的基极驱动电流。由于βdIBd/N为常数,所以,功率三极管集电极电流的偏移量ΔICi与Δβi成正比,其中Δβi为功率三极管增益偏移量,即功率三极管的离散值。理想状态下,各个三极管的增益为β,则

(4)

假设三极管具有相同的离散率A(0≤A≤100%),则由式(3)及式(4)可推出

(5)

由于制造工艺的分散性,即使同型号的管子,其β值也是有差异的,因此,三极管的参数离散性是不可避免的,笔者只能选取合适的功率三极管,以减小离散性对均流的影响。然而,在选取功率三极管时,如果β值太小,则管子的放大作用差,但β太大也会因为管子的参数离散性过大而使并联管子的性能不稳定,进而不能达到三极管并联均流的目的。选择同一型号、同一生产批次并且灵敏度低(管子的β值较小)的功率三极管,就能较好地减小所选功率放大管的参数离散性。为实现系统功耗均衡,笔者通过实验优化出并联功率三极管的增益系数应在20～80,而且增益值越小对功率三极管的并联均流越有利。所以,在设计中选取功率三极管2N3055作为电流放大器,其在集电极电流为4 A时,增益系数为20～70,完全能满足该设计的需求。

由于后级放大电路中选用的功率三极管2N3055的灵敏度很低,并且在由U2A与Q构成的导纳放大器电路中,运算放大器U2A的输出电流较小,因此,为了给2N3055提供足够大的驱动电流,Q选用了高灵敏度的达林顿管,对U2A的输出电流进行扩流。

在图2中,VCC=15 V,VEE=12 V,通过这种给控制电路与功率放大管独立供电方法降低功率三极管上消耗的功率,保证三极管不会由于功耗过大而失效,从而提高了整个系统的可靠性。由三极管多级放大电路以及式(1)可知

NIB1+IEd=βdIBd

(6)

IO1=2β1IB1

(7)

由式(6)、式(7)可得

IO1=2β1(βdIBd-IEd)/N

(8)

其中βd为激励管Q的增益,β1为功率三极管的增益,并且功率三极管Q1～Q12增益相等,IEd为通过电阻R4的电流,IBd为Q的基极驱动电流,IO1为通过采样电阻的电流,N为并联的功率三极管数。通过实验可知βdId≫IEd,由此,可推出

IO1≈2β1βdIBd/N

(9)

又由式NIO1/2=IO可推出电流增益

A=IO/IBd≈βdβ1

(10)

由式(10)可知,当激励管增益和功率放大管增益的乘积一定时,电路总的输出电流与运放U2A的输出电流成正比,而运放U2A的输出电流又受输入端控制电压的影响,从而调节控制电压就能控制输出电流的大小。

根据图2以及集成运算放大器虚短、虚断的理论,可推出

VrR6/(R5+R6)=2IORS1/N

(11)

由式(11)可推出电路总输出电流

IO=NR6Vr/[2RS1(R5+R6)]

(12)

式(11)和式(12)中,Vr为控制电压。

由以上结论,可推导出电路的跨导增益

IO/Vr=NR6/[2RS1(R5+R6)]

(13)

通过式(13)可清楚地看到,在跨导增益确定的条件下,改变控制电压的大小可实现输出电流的连续可调。当控制电压调节到最大值时,总的输出电流将同时达到最大值。将跨导增益设定为20,当控制电压为2.5 V时,则输出电流为50 A[12-15]。

1.3 功耗均衡设计

系统电路工作时,可能会因为通过某一功率放大管的电流过大而使其功耗不均衡,当电流足够大时会使功率放大管由于温度过高而失效,甚至损毁元器件。对元器件进行降温处理,可以有效降低元器件的失效率,因此,很好地解决发热量较大元器件的散热问题是设计中的一个重要环节。

设计的恒流源系统,为实现功耗均衡,主要做了以下两方面工作。 1)电流均衡。通过功率三极管并联实现大电流的均衡,当功率三极管能够很好的均流,且供电电压及采样电阻的阻值相同时,三极管所消耗的功率是相同的,因此,由这部分功耗所产生的热量在理论上也应该相等,这样就实现了功耗均衡。2)温度梯度均衡。功率三极管是功耗较大的半导体器件,由于其表面积较小,不足以进行有效的直接强迫空气冷却。然而,使用散热片扩延半导体元器件的表面积,并且通过功率三极管在散热片上合理布局,间接地增大功率三极管的散热面积,可以通过散热片将三极管的功耗热量快速传递到外部空间,达到温度梯度均衡,保证了三极管稳定、可靠、安全地工作。

三极管在散热片上的布局设计如图3所示。在散热器组装上,通过双风扇构成风洞式结构的一体化散热器,对功率三极管进行散热。其中一端风扇向一体化散热器内吹入空气,吸收热量,另一端风扇排出一体化散热器内的热空气,带走热量,完成功率三极管的散热过程。其结构如图4所示。

图3 功率三极管在散热片上的布局 图4 风洞式一体化散热器

2 恒流源系统各项指标实验分析

由于试验中输出电流较大,不能采用传统的串联电流表的方法测量,因此,在设计中通过分别测量采样电阻上电压的方法,检验三极管的均流情况。求得总的输出电流

其中VS1～VS6为各采样电阻(0.1 Ω)的电压,IO为系统最大输出电流。经过实验测量以及计算得出系统输出50 A的相关数据如表1所示,系统最大输出电流如图5所示,6个采样电阻上的电压如图6所示。

表1 输出12 A时的数据

图5 50 A输出电流 图6 输出50 A采样电阻上的电压

由图5、图6可知,在工作时间内,当系统输出电流约为50 A时,只有在实验的初始阶段三极管的电流略有波动,但最终趋于平稳,这样有助于大电流的均流,从而使功耗更均衡地分配到所有的三极管上,使整个系统趋于更稳定,并且各功率三极管的输出电流波动小于0.4 A。通过图6可看到,所选功率三极管2N3055的均流作用非常明显。

根据统计学中标准离差率的计算公式可求得系统输出电流为50 A时的稳定程度

标准离差率(稳定度)=标准差/平均值=

0.04 938/50.080 75=0.000 982=982 ppm<0.1%

(15)

一般情况下,标准离差率越大,表明系统越不稳定；相反,标准离差率越小,则系统的稳定度越高。由于功率三极管因温度升高会引起整个系统的稳定性下降,即系统工作的时间越短、输出的电流越小,系统的稳定性越高。

当系统输出电流为50 A时,每只2N3055的集电极电流约为4.17 A,且增益数约为63,通过其数据手册可知,此时VCE约为4 V,在供电电压为12 V时,可得出系统的最大输出电压约为7 V,由输出功率

PO=UOIO

(16)

可推出当系统输出最大电流、最大电压时,系统的输出功率PO约为350 W,说明系统的输出功率比较高。

3 结 语

该设计用于大功率半导体激光器的恒流源系统,采用低灵敏度功率放大管冗余并联的方法提高了系统的可靠性,采用高精度基准电压源以及基于加法器采样的电流串联负反馈的方法,提高系统的稳定性,在输出电流50 A时,稳定度达到0.982‰。笔者对影响功率放大管功耗均衡的因素进行了系统的分析,通过功率放大管并联设计实现电流均衡,通过风洞式一体化散热器设计实现温度梯度均衡,最终实现了功耗均衡。同时,通过功率三极管2N3055的并联设计,系统实现了输出0～50 A连续可调的大电流,输出功率达到了350 W。

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