多模块并联型高压直流电子负载功率控制电路设计

熊佳民，江学焕

（湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

动力电池是电动汽车的“心脏”，其质量决定了电动汽车的续航里程和加速性能［1］。因此，动力电池性能测试尤为重要。市场上电动车电池组的电压普遍在48～600 V，用于测试的电子负载需具有较好的电压兼容性［2］。高压电池组测试要求功率控制电路具有较好的耐压能力、分流能力、精度控制能力、散热能力［3］。莫熙等人［4］用MOS管并联组成功率电路，实现功率扩充和均流，但MOS管耐压值有限，不适合高压测试环境，功率电路结构不利于散热和故障后的维修、替换；张林仙等人［5］用Boost电路控制MOS管的开通时间实现电压电流的控制，但电路复杂，MOS 管工作噪声大，影响系统控制精度。综合上述分析，文中采用独立信号控制的IGBT 并联模块组成功率电路，解决了上述功率模块替换和扩展、分流和散热问题，降低了系统复杂度，提升了系统控制可靠性。设定直流电子负载电压为3～600 V、电流为0～50 A、功率为0～600 W，在达到动力电池测试条件基础上，增大直流电子负载参数范围，使测试对象多样化。

1 原理分析及架构设计

1）电子负载原理 若测试的直流源处于稳态条件，则直流源表现为阻性负载特性，输出电压与负载电流满足欧姆定律。若测试的直流源处于动态条件，则直流源表现为阻容负载和阻感负载特性［6］，如图1 所示。虚框内电路为模拟负载。由图1可得数学关系式：

图1 阻感、阻容等值电路

式中：Ud为被测直流源输出电压；IRL、IRC分别为阻感、阻容等值电路中的电流。将式（1）转化可得：

由式（2）可知，电子负载通过此模型方法，调节控制环路电流与输入电压的关系来模拟恒压、恒流、恒阻模式中电压与电流的关系，当负载电流曲线与非线性负载电流特性曲线近似的情况下，即可采用直流电子负载模拟非线性负载［7］。

2）IGBT 选型及其控制模型 与BJT 和MOS管相比，IGBT拥有更大的功率增益，更高的工作电压和更低的输入损耗，适用于高电压功率电路［8］。文中选用集电极击穿电压1200 V、集电极击穿电流25 A、耗散功率30 W 的MP25N120B 型IGBT 作为功率耗散器件，功率电路由2 个功率模块组成，每个模块采用10块IGBT 并联，以满足0～600 W的功率条件。单模块IGBT 功率控制电路模型如图2所示，其中R1、R2为分压电阻，R4为下拉保护电阻，R3为反馈回路电阻，R5为IGBT栅极限流电阻，R6为电流采样电阻，Q1为IGBT，U1为运算放大器。控制信号Vi与反馈信号比较后输出VOUT，由VOUT控制IGBT工作在线性放大区。

图2 单模块IGBT功率控制电路模型

3）硬件系统整体架构 硬件系统由供电电源、单片机、电流电压采集电路、D/A 输入电路、功率电路、被测电源、A/D采样电路、按键电路和显示电路构成。系统上电后，通过按键电路设定电压值和电流值，A/D 转换电路采集电压、电流采样电阻两端电压信号送入单片机，单片机驱动显示电路显示测量电压值和电流值，D/A转换电路输出参考电压，最后由运放电路实现反馈恒流恒压的效果。硬件系统总体框架见图3，功率电路中单模块结构见图4，功率电路部分采用多模块并联的结构，各路IGBT增加运放，多路运放接入同一参考信号，使各路运放单独控制对应IGBT 实现均流，避免因电路元件存在差异导致各电路电流分布不均问题［9］。

图3 硬件系统总体框架

图4 功率电路单模块结构

2 硬件电路设计

直流电子负载常见工作模式分为恒流、恒压和恒阻模式。恒流模式下，负载电流不随输入电压改变，常用于检测直流源，蓄电池恒流充放电；恒阻模式下，输入电压与输入电流呈线性关系，电子负载等效成恒定电阻；恒压模式下，负载电流依据所设定的负载值而定，能模拟电池端电压，测试充电机。

1）恒流控制电路设计与分析 恒流控制电路如图5所示。通过按键电路设置电流值，经A/D转换电路、D/A 转换电路输出参考电压信号（图中信号“DAC”）由于电流为0～50 A可调，电流采样电阻（康铜丝）阻值为0.1 Ω，因此采样电压Ui为0～5 V。为实现电流的控制，需将采集电压降压处理，反馈电阻R21取10 kΩ、R18取100 kΩ、R19取100 kΩ、R22取10 kΩ。根据同向放大比例器工作原理：

图5 恒流控制电路

式中：U1为比较器U6的输出电压；U0为参考电压。若负载电流增大，电阻R23的电压大于U1时，比较器降低输出，功率管导通程度减小，漏极回路电流减小；当负载电流减小，电阻R23的电压小于U1时，比较器增大输出，使功率管导通程度增大，回路电流增大［10］。在比较器U7反向输入端经高速开通二极管IN4148 接入关断信号，起到保护和锁定电路的作用。由于恒流模式下，功率管工作在线性区，容易发热，在电路板下方放置散热片，加快散热，防止其烧毁，保证功率管正常工作。

2）恒压控制电路设计与分析 恒压控制电路如图6 所示。由于参考电压不超过5 V，远小于输入电压，现对输入电压进行处理。反馈电阻R36取600 Ω，根据式（3）计算出恒压电路的采样电压为0.021～4.200 V，经运放U11后与参考电压比较。当输入电压大于参考电压时，比较器输出增大，输出电压降低，实现恒压的功能［10］。

图6 恒压控制电路

3）恒压/流电路中放大倍数切换电路 采用4053设计恒压/流电路中放大器放大倍数切换电路如图7所示。图7中“4053EN”为单片机输出信号，“4053EN”为低电平时，4053 的引脚功能激活。“4053A”、“4053B”、“4053C”由单片机反馈得到，是引脚A、B、C 电平信号，高电平时，对应AY、BY、CY引脚接通，在外部接入合适阻值电阻，并连接到放大器输入端，实现放大倍数量程的切换。

4）电压采集电路设计与分析 TL084 工作温度直接影响采样电阻的温度环境、精度和温漂，进而影响系统输出电压和电流的精度。文中采用拥有低温漂特性和高精度特性的精密电阻作为采样电阻，以此来避免采样电阻的温漂问题。设计电路时，将采样电阻尽量与发热器件隔开，增加敷铜打孔来提高电路散热能力。电压采集电路设计如图8所示，二极管D12、D13保护放大器，“DC+”为输入电压，“ADC_V”为采集电压。

图8 电压采集电路

5）恒阻控制电路设计与分析 恒阻模式下，负载输入电压与电流成正比，比值为所设定的电阻值，通过改变电子负载的电压实现电流的线性变化［11-12］。恒阻控制电路原理如图9所示，Uin为外加电压信号，引脚3 接收控制信号后，通过调节电阻器R101设定阈值电压，采样电阻R102的电流随Uin线性变化，放大器同向输入端电压U+等于反向输入端电压U-，由此推导数学公式如下：

图9 恒阻控制电路

联立方程得：

式中：Iin为电阻R102输入电流；R为R101右端电阻值。由式（5）可知，输入电压与电流呈线性关系，当R101值固定后，对某时刻而言，电压变化引起电流变化且比值不变，实现恒阻控制。

6）过/欠压保护电路设计与分析 根据窗口比较器输入输出特性，高阈值电压可根据电阻R90、R91和滑动变阻器R88调节，低阈值电压根据电阻R125、R126和滑动变阻器R107调节。文中电子负载工作电压为3～600 V，计算得出600 V 对应的阈值电压为2 V，3 V 对应的阈值电压为0.01 V，采用双通道低延迟比较器LM393组成的窗口比较器过/欠压保护电路如图10 所示。根据设计的电路图，制作的功率电路控制板及IGBT功率板如图11～12所示。

图10 过/欠压保护电路

图11 功率电路实物

图12 IGBT功率板实物

3 数据测量与实验分析

1）不同功率下IGBT温度 为验证IGBT在功率范围内发热及功率电路散热情况，设定测试时间为3 min、功率增量为100 W、环境温度为23 ℃，在100～600 W 功率下用测温枪测量IGBT 温度，记录温度数据如表1所示。由表1可知，在不同功率下，IGBT温度变化良好，散热系统能快速有效的工作，使IGBT温度保持在35 ℃以下，在安全范围内。

表1 不同功率情况下IGBT工作温度 ℃

2）电路保护测试 直流电子负载保护测试包括过流保护测试和过压保护测试。过流保护测试使用可编程直流负载IT8830B与系统串联，设置为恒阻模式，阻值为0.02 Ω。设定负载两端电压为5 V，数据曲线如图13 所示。过压欠压保护测试使用IT6322A 作为被测电源，设置为恒流模式，电流值为0.5 A，观察系统各测量值，得出数据曲线如图14所示。由图14 可知，负载电流在开关管阈值电压（5.6 V）附近缓慢增加，达到完全开启电压（6.5 V）后电流和控制电压线性变化，电流超过限流值51 A后，电路保护响应，电流值降为0 A。从图14 中可看出，电压低于3 V 和超过600 V 状态下电路保护很快响应。综合分析可知系统的过流过压保护电路都能有效工作。

图13 过流保护测试数据曲线图

图14 过压保护测试数据曲线图

3）恒压模式控制精度测试 将600 V/3 A 直流源接入直流电子负载，恒压工作电压间隔为50 V，设置为恒压工作模式，测得负载两端的电压值如表2所示。由表2可知，在恒压模式下直流电子负载功率控制的相对误差最大为0.23%，满足设计要求和实际工程应用需求。

表2 恒压模式下直流电子负载电压

4）恒流模式控制精度测试 将IT8830B 串联接入电路，被测电源接入电子负载，设置恒流工作模式，恒流放电的电流值间隔为5 A，记录IT8830B测量数据如表3所示。分析表3数据可知，恒流模式下电路控制精度相对误差最大为0.28%，满足设计要求及实际工程需求。

表3 恒流模式下直流电子负载电流

4 结论

文中对电子负载的多模块并联结构功率电路以及控制方式进行了研究，对其工作模式和原理进行了介绍，对电路控制精度以及保护措施进行了测试，试验证明，在600 V/50 A的范围内，功率模块上的IGBT 应并联10 块，功率电路由2 组功率模块并接，每组IGBT 分流均匀，负载能达到600 W 的功率。该功率电路结构以及控制方式能有效提高功率模块分流、散热、维修替换及功率扩展能力，对能耗型电子负载的研究具有一定指导意义。