PWM移相多重叠加控制方法在大功率电子负载应用中的研究

PWM移相多重叠加控制方法在大功率电子负载应用中的研究

赵乾坤,周帆,刘向伟

深圳市科陆精密仪器有限公司  深圳市518000

摘要:

电子负载作为电子仪器和测试设备在电子技术应用领域越来越被大家所熟知，其具有恒流、恒压、恒阻及恒功率四种运行模式[1,2]。当前多数电子负载都是针对小功率电源实施相对有效，当遇到充电桩等大功率电源检定与生产测试选用测试负载时出现了没有专用的负载可用、使用难度较大、稳定性较差、自动化实现难等问题，在我国政府积极推进新能源汽车的应用与发展的背景下大功率电子负载的研究已势在必行[3]。本文将PWM移相多重叠加控制方法应用到电子负载系统中，通过MATLAB软件搭建了系统主电路模型，对其进行了仿真，同时也通过45KW电子负载做了实验，结果证明采用本文提出的控制方法解决了大功率电子负载存在的纹波电流大、器件开关损耗大且发热严重、噪音大等问题，从理论和实践上证实了PWM移相多重叠加控制原理的正确性与可行性。

关键词: 电子负载，PWM调制，移相多重叠加控制

引言:

随着电动汽车和充电桩的迅速普及，作为充电桩检测配套设备的大功率电子负载的需求量也在大幅度提升，当前主流电子负载多采用功率场效应管作为功率消耗器件，采用模拟控制输出连续型电压驱动信号，使功率场效应管运行在电阻特性线性区，其驱动电压的高低决定着负载电阻的大小，从而实现对负载的控制。但从设计与应用方面来看，功率场效应管实现的电子负载在负载特性要求多变且功率较大时，极易产生自振荡，不利于运行，且存在功率电流纹波大、功率管发热严重等问题[4]。针对这些问题本文提出了PWM移相多重叠加控制方法，主要介绍了PWM移相多重叠加控制的原理、PWM移相多重叠加控制应用在大功率电子负载上的理论及实践对比分析等[5]。

1.PWM移相多重叠加控制原理

PWM调制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点在电力电子技术领域被广泛应用，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现功率管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变[6,7]。

采用PWM占空调制方式的开关电流具有不连续性特点，为降低开关方波电流峰值，电路中采用多路电阻并联运行实现，其开关通道将采用移相多重叠加方法，即多路PWM波不同时发，而是平均分摊在一个周期发的控制方法，拓扑电路如图1所示。

图1 采用PWM移相多重叠加控制的拓扑电路

设1路开关方波电流峰值为Ip，开关频率为F，采用移相多重叠加方法前总电流峰值Ips为：

总电流纹波频率Fs为：

采用移相多重叠加方法后总电流峰值Ips为：

电流纹波频率Fsˊ为：

采用移相多重叠加方法后总电流峰值为原来的1/n，纹波频率为原来的n倍，通过移相多重叠加控制可大大降低CLC滤波器滤除幅值能力的需求。且移相后由于功率管的开关频率提高到原来的n倍，在人耳可识别范围外，可降低功率管的开关噪音。

2.PWM移相多重叠加控制在大功率电子负载中的应用

本文将PWM移相多重叠加控制方法应用在45kW交直流可编程控制电子负载中，利用MATLAB仿真软件对其进行建模分析，建立的仿真模型如图2所示，仿真模型由15路电阻并联而成，每路电阻值取40R，滤波电路电感值为100uH，电容值为20uF。

图2 采用PWM移相多重叠加控制的主电路仿真模型

图3为滤波前的系统功率电流的仿真波形，上半部分为采用PWM移相多重叠加控制前的波形，下半部分为采用PWM移相多重叠加控制后的波形，图4为图3的局部放大图，从仿真波形中可以看出，采用PWM移相多重叠加控制前后的功率电流纹波幅值分别为270A、18A，频率15K、225K，采用本文提出的控制方法后，功率电流纹波的频率为原来的15倍，幅值为原来的1/15。

图3 滤波前系统功率电流的仿真波形图

图4滤波前系统功率电流仿真波形的局部放大图

图5为经LC滤波电路后的系统功率电流的仿真波形，上半部分为采用PWM移相多重叠加控制前的波形，下半部分为采用PWM移相多重叠加控制后的波形，图6为图5的局部放大图，从仿真波形中可以看出，在系统运行稳定后，系统的功率电流为60A，采用PWM移相多重叠加控制前后的功率电流纹波峰峰值分别为3A、0.12mA，纹波电流从2.5%降到了0.0001%，理论上达到了降低纹波电流的目的，且效果非常明显，纹波电流含量降为采用PWM移相多重叠加控制方法前的0.004%。

图5滤波后系统功率电流的仿真波形图

图6滤波后系统功率电流仿真波形的局部放大图

图7、图8分别为用示波器测得的电子负载采用PWM移相叠加控制方法前后电路纹波电流的实际波形图，系统运行电压为750V，运行电流为60A，功率管开关频率为15K，从图中可以看出系统采用PWM移相叠加控制前后纹波电流分别为4A、4mA，纹波电流从3.33%降到了0.003%，虽没有理论上的效果好，但是4mA的纹波电流对系统而言，以完全满足要求，从实际上也达到了设计要求，证实了在大功率电子负载系统中采用PWM移相多重叠加控制方法的可行性。

图7采用PWM移相叠加控制方法前电路纹波电流的波形图

图8采用PWM移相叠加控制方法后电路纹波电流的波形图

采用PWM移相多重叠加控制方法后，系统开关频率由15K变为225K，已超出人耳能识别频率的范围，降低了系统的开关噪音，而纹波的降低，也使功率管的开关损耗大大的降低了，从而解决了功率管发热严重的问题。

结论：

本文将PWM移相多重叠加控制技术应用在大功率电子负载中，解决了大功率电子负载存在的功率电流纹波大、功率管开关损耗大发热严重且系统开关噪音大等问题，从理论和实践上验证了此控制方法的可行性，使大功率电子负载的应用得到了拓展，但单个电子负载的功率始终有限，所以我们今后可研究一下大功率电子负载并联使用的均流问题，使电子负载能应用到更大功率电源的检测上。

参考文献：

[1]. 莫熙, 周伟, 窦晓波,等. 基于STM32的程控直流电子负载设计[J]. 电测与仪表, 2014, 51(18):85-91.

[2]. 彭向标, 张泾周, 滕炯华,等. 基于LCL滤波器的交流电子负载设计与仿真[J]. 计算机仿真, 2011, 28(10):31-34.

[3]. 黄默涵, 林鑫. 电动汽车交流充电桩测试[J]. 甘肃科技, 2014, 30(16):48-50.

[4]. 张胜高. 基于移相全桥的馈能式直流电子负载设计[D]. 山东大学, 2013.

[5]. 申屠磊璇. 直流电子负载设计与实现[J]. 电子测试, 2015(7):3-8.

[6]. 周林, 蒋建文, 易强,等. PWM控制器的控制方法[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2001, 13(s1):110-113.

[7]. 李永东, 高跃. 多电平PWM控制技术发展[J]. 变频器世界, 2006(3):6-13.

人员简介：

赵乾坤，硕士研究生，高级工程师，深圳市科陆精密仪器有限公司；

周帆，本科，高级工程师，深圳市科陆精密仪器有限公司总经理；

刘向伟，硕士研究生，高级工程师，深圳市科陆精密有限公司。