Research on Hybrid Precise Current Source
Lu Zhuwei；Chen Yuming
（①Sanjiang University，Nanjing 210012，China；②Wiscom Electrical Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China）
摘要：研究了开关线性复合功率变换技术，提出一种复合型精密电流源的方案。该电源结合了高频开关电源和推挽线性功放电路的优点，输出波形好，效率高、体积小。同时采用三态自适应滞环电流控制方式，有效地减小了输出电流的脉动纹波。根据设计的方案制作了一台样机，实验结果表明该电流源纹波系数小、效率高，验证了方案的可行性。
Abstract: Switch-linearity hybrid power conversion was researched and a hybrid precise current source was proposed based on the technology. The current source combined the advantages of switching power module and linear power module. It had excellent waveform, high efficiency and small volume. A novel self-adaptive three-state hysteretic control strategy was also used to reduce the ripple of the output current. Then a model machine was produced according to the design scheme. The result showed that this current source had low ripple quotient and high efficiency, so it proved the effectiveness of the scheme.
关键词：开关线性 精密电流源 滞环控制
Key words: switch-linearity；precise current source；hysteretic control
中图分类号：TM1文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）19-0036-02
0引言
随着电力事业的发展，用电单位越来越多，对电能表进行准确的校验是保证电力安全、电能计量准确的必要手段。在仪表校准中，希望交流电压源或电流源的精度与分辨率足够高，因为这是仪表能否校准好的关键所在。线性功率放大器具有设计简单、波形失真度小等优点，目前在精密功率源中一般都用它进行功率放大。但线性功率放大器的效率很低，特别是工频电工式仪表多为感性负载，此时线性功率放大器发热更为严重，因而在精密测量领域中的应用受到制约。精密开关电源能省去工频变压器，效率高，虽然纹波系数较大，但把它作为集成恒流源的前级，复合成精密恒流源，可将二者的优势互补，使其稳定性等技术指标大大提高。
1开关线性复合技术
开关线性复合技术（SLH）主要的特点是将电力电子纯开关功率变换电路与线性功率放大电路有机的结合起来，即把常规的PWM电压型变频器作为B类功率放大器的供电电源，由于射极跟随器的负反馈形成的系统具有强有力的抗干扰特点，使得系统具有较高的效率和较强的鲁棒性，从而构成的新型功率变换器，可以互补综合，优化性能。
该技术的本质在于开关滤波电路只作为复合线性电路的特殊供电电源，那么整体系统可以看成是一个比例放大器，从而获得极快的动态响应和比较准确地跟踪效果，而同时又因为具有压控射极输出特性的线性单元的高阻输入、低阻输出的特性，近似于功率级的缓冲器，阻隔了输入输出信号之间的相互干扰，很好的保证了系统的正常工作，实现了THD指标和效率指标的兼顾，符合目前大家追求的高保真、绿色、环保等电源变换的要求。
SLH的结构图如图1所示，由图可以看出，开关线性复合器由参考信号、前置功放、前置放大、开关电源、线性功率放大等组成。产生标准正弦信号作为参考信号，同时控制开关变换单元和线性功率放大单元，是系统输出理想波形的参考；将参考信号前置放大的目的是驱动线性功率放大装置中的功率开关器件；开关电源的作用就是为线性功率放大装置中的功率开关器件提供脉动正弦供电电源。
2基于开关线性复合技术的电流源方案设计
2.1 系统总体设计方案本文设计一种开关电源和线性功率放大器复合的电流源，将开关电源作为复合电源的前级，开关电源的输出整流滤波成馒头波后为线性功率放大器的功率放大管供电，且馒头波与系统输出电压接近线性放大器功率管的管压降，这样就大大提高了电源的整体效率。这种复合电源既保留了传统电源的优点，又根据实际需要对现有传统电源的不足作了改善。复合电源总体设计方案如图2所示，输入为50Hz、220V交流电压，经整流滤波后得到311V直流电压，采用DC/DC变换器将直流电压变换成100Hz、最大值为80V的馒头波。该馒头波经滤波后作为DC/AC逆变器的输入，DC/AC逆变器采用了三态滞环和自适应滞环相结合的电流控制方式，使输出的电压波形具有较小的波形失真度。
2.2 DC/DC变换电路设计开关电源DC/DC电路的设计方案如图3所示。交错型双晶体管正激变换器在保留双管正激变换器功率开关管电压应力低和可靠性高的优点同时，克服了等效占空比小、副边二极管电压应力高、输出电流脉动大等缺点。与全桥变换器或半桥变换器相比，它的每一个桥臂都是由一个二极管和一个开关管串联组成，从结构上消除了桥臂直通现象，可靠性高，特别适合输出中等功率、输入电压较高的应用场合。因此，DC/DC变换电路采用交错并联的双晶体管正激变换电路。
2.3 DC/AC电路设计方案开关电源DC/AC电路的设计方案如图4所示。开关电源DC/AC电路的输入为变换成100Hz、最大值为80V的馒头波。再经全桥逆变为正弦交流电压，并经LC滤波网络滤去高次谐波，最后得到所需的正弦波作为输出。吸收电容用于吸收负载以及滤波电容的回馈能量,防止直流母线电压上冲。该逆变器控制电路采用输出电流外环加电感电流内环的双环控制方案，采用三态滞环控制进一步减小输出电流的THD，采用自适应滞环控制解决了输出小电流、低电压情况下电流的THD超标问题。
2.4 后级线性电源设计后级线性电源的设计方案如图5所示，基准正弦电压经PI调节器后经差分对管输入，经中间放大级电路放大，输出采用乙类互补推挽功放电路。前级开关电源DC/AC逆变电路输出电压经整流滤波后，输出电压波形与线性功率放大器的输出波形的电压差近似为功率放大管的饱和管压降，作为线性功率放大器中功率放大管的供电电源。线性功率放大器的输出电压跟随负载的变化而变化，DC/AC逆变电路的输出电压根据功率放大管的管压降实时调整，保证电压差始终接近功率放大管的饱和管压降值。
3系统实验分析
根据设计的方案制作了一台样机，在样机实验中，负载为1A时，线性功放输出电压及电流波形如图6所示。负载为3A时，线性功放输出电压及电流波形如图7所示。
复合电源的实验数据如表1所示。由此可以看出电流源能输出高质量的正弦电流，有较好的稳定性，谐波失真度不超过0.5%。
4结论
文章将精密开关电源作为集成恒流源的前级，将线性放大电路作为后级，将二者的优势互补，复合成精密恒流源，使其技术指标大大提高。采用了三态滞环和自适应滞环相结合的控制方式，作为全桥逆变电路的电流环控制方式，减小了输出电流的脉动，减小了逆变桥开关次数，使输出电流的THD在输出电流和负载变化时均能满足小于0.5%的要求。
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