朱友峰,曹玉強(qiáng),姜明順,丁昌鑫,張曉麒

(山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

隨著電法勘探在地質(zhì)探測(cè)工作中的大量應(yīng)用，探測(cè)中對(duì)直流恒流源的需求越來越多[1-2]。在地質(zhì)探測(cè)中，直流恒流源一般都在大電流狀態(tài)下工作，在工作時(shí)需要非常穩(wěn)定的輸出，才能保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確。一旦出現(xiàn)供電電流波動(dòng)，采集結(jié)果將會(huì)引入誤差，后續(xù)的分析工作將不準(zhǔn)確[3]。為了保證直流恒流源的穩(wěn)定輸出，必須確保恒流源的性能穩(wěn)定、受負(fù)載影響小、電路輸出不隨負(fù)載的變化而波動(dòng)。目前，在實(shí)際應(yīng)用的電法勘探中，直流恒流源在給阻性負(fù)載供電時(shí)能滿足需求，但是在供電輸出點(diǎn)較遠(yuǎn)的情況下，加入較長(zhǎng)的電纜后，實(shí)際電流達(dá)不到設(shè)定值[4]。

針對(duì)以上問題，對(duì)電路的工作原理進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試與分析，發(fā)現(xiàn)加入電感后電路中出現(xiàn)了交流成分。本文對(duì)交流成分產(chǎn)生的原因進(jìn)行研究，并提出一種電感負(fù)載補(bǔ)償電路，使直流恒流源在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)也能達(dá)到電流輸出要求，有效提升了直流恒流源的性能。

1 系統(tǒng)框架和工作原理

大功率直流恒流源系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 直流恒流源系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)主要由市電、電流控制模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、恒流調(diào)整模塊、可控交直流轉(zhuǎn)換模塊和輸出模塊組成。各模塊的功能如下。

①電流控制模塊：設(shè)定系統(tǒng)工作電流大小，從而調(diào)整回路電流。

②信號(hào)調(diào)理模塊：包括瞬態(tài)電壓抑制單元、濾波單元和電壓跟隨器。保護(hù)電路輸入電壓值在安全范圍內(nèi)，去除高頻噪聲信號(hào)，并提高電路輸入阻抗。

③恒流調(diào)整模塊：該模塊是控制系統(tǒng)的核心部分，利用集成運(yùn)放和大功率金屬氧化物半導(dǎo)體(metal oxide semiconductor,MOS)管組成電流負(fù)反饋單元，利用硬件電路實(shí)現(xiàn)高速負(fù)反饋，使電流可以迅速達(dá)到設(shè)定值。

④可控交直流轉(zhuǎn)換模塊：將220 V市電轉(zhuǎn)化為0～250 V的可控直流電壓，為系統(tǒng)負(fù)載供電。

⑤輸出模塊：提供開路保護(hù)，防止因負(fù)載斷路而導(dǎo)致的電壓過高，保證安全。

電流控制模塊接收電流控制信號(hào)，并輸出到信號(hào)調(diào)理模塊，經(jīng)過濾波與電壓跟隨單元，到達(dá)恒流調(diào)整模塊。由集成運(yùn)放和MOS管組成的高速負(fù)反饋單元迅速調(diào)整，電流達(dá)到設(shè)定值并由可控交直流轉(zhuǎn)換模塊為整個(gè)回路供電。輸出模塊為系統(tǒng)提供輸出接口和保護(hù)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載進(jìn)行工作[5]。

2 恒流電路驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載原理測(cè)試分析

2.1 恒流源電路工作流程

恒流源系統(tǒng)的負(fù)反饋電路如圖2所示[6-7]。

圖2 負(fù)反饋電路

運(yùn)放U4、電阻R9、R12、R14和Q1組成了恒流電路的閉環(huán)負(fù)反饋單元。電阻R14是10 Ω精密電阻。該電阻的精度直接影響恒流源電路的電流精度[8]。該電路使用OP07集成運(yùn)放單元。該運(yùn)放需要滿足信號(hào)范圍寬、用作比較器功能時(shí)精度高、能夠在雙極性電壓下工作、具有高開環(huán)增益且穩(wěn)定時(shí)間快的特點(diǎn)[9]。大功率MOS-FET的選取需要考慮開啟電壓和開啟速度，并滿足漏極電流和最大漏源電壓達(dá)到電路工作時(shí)的最大值。本文設(shè)計(jì)的MOS-FET采用IRF 654A型號(hào)。該型號(hào)的漏源電壓為250 V，導(dǎo)通電阻為0.14 Ω，漏極電流最大為21 A。開啟和關(guān)閉時(shí)間分別為60 ns、190 ns。

該單元工作時(shí)，0～2 V控制信號(hào)首先到達(dá)U4的3號(hào)引腳，此時(shí)MOS關(guān)閉，U4的2號(hào)引腳電壓為0，比較器的正相輸入端比反相輸入端信號(hào)高，那么U4輸出引腳6的電壓接近正極供電電壓。由于IRF654A屬于N-MOS，當(dāng)柵極電壓大于導(dǎo)通電壓(2～4 V)時(shí)，MOS管開始導(dǎo)通，源極電壓即R14上端電壓Ur開始上升。Ur經(jīng)過反饋回路到達(dá)U4的2號(hào)引腳，隨著MOS管的調(diào)整，Ur逐漸大于控制信號(hào)電壓。當(dāng)U4的反相輸入端電壓大于其正相輸入電壓時(shí)，根據(jù)比較器的輸出特性，此時(shí)電壓的輸出應(yīng)該接近負(fù)極供電電壓，導(dǎo)致MOS管的工作狀態(tài)慢慢截止，這會(huì)使得R14上的反饋電壓Ur變小，從而形成負(fù)反饋，最終電路穩(wěn)定在設(shè)定值[10]。恒流電路的輸出值計(jì)算方法如式(1)所示：

(1)

2.2 感性負(fù)載電流上升電路分析

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中，負(fù)載的性質(zhì)并不一定是純阻性負(fù)載。比如當(dāng)該恒流源應(yīng)用于某工程項(xiàng)目中時(shí)，從恒流源到負(fù)載的距離往往超過幾十米甚至上百米，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)一旦引入電纜，恒流源的輸出將偏離設(shè)定值。試驗(yàn)時(shí)，在回路中串聯(lián)100 m電纜模擬現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在原有電路基礎(chǔ)上添加電纜后，再次將電流表串入回路進(jìn)行讀數(shù)。為了再現(xiàn)電路引入電纜后的影響，分別在回路中串聯(lián)100 m、200 m、300 m電纜進(jìn)行試驗(yàn)，并分別讀取電路中的直流電流和交流電流。在試驗(yàn)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)不同大小的電感對(duì)電路的影響基本相同?？紤]電纜的影響，設(shè)置不同電流進(jìn)行測(cè)量讀數(shù)。

回路直流電流與交流電流對(duì)比如圖4所示。

圖4 回路直流電流與交流電流對(duì)比圖

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，與純電阻電路相比，加入電感后，電路中出現(xiàn)較大的交流信號(hào)。用示波器分別觀察加入電感前后的R14兩端電壓，可得串聯(lián)電感前后反饋電壓變化如圖5所示。

圖5 串聯(lián)電感前后反饋電壓變化圖

通過圖5可以看出，在反饋電阻R14兩端上，沒有接入電感前交流信號(hào)很??；在接入電感后，電路中出現(xiàn)了明顯的交流信號(hào)。在只有阻性負(fù)載時(shí)，負(fù)載兩端和MOSFET兩端的交流成分非常小。開關(guān)電源的輸出并沒有交流成分，這不是因?yàn)殚_關(guān)電源的輸出導(dǎo)致的。當(dāng)接入負(fù)載含有電感線圈時(shí)，交流成分陡然上升，例如交流的電流測(cè)得為48.59 mA ，而直流的電流測(cè)得為45.54 mA，此時(shí)10 Ω兩端的直流電壓只有0.455 V。分析可知，這是由于交流成分導(dǎo)致恒流輸出達(dá)不到實(shí)際的需求。

利用示波器測(cè)量負(fù)載兩端和MOS管兩端的電壓曲線如圖6所示。

圖6 負(fù)載和MOS管兩端電壓曲線

對(duì)比圖6可以看出，開關(guān)電源兩側(cè)輸出的電壓只有直流成分，沒有交流成分，但是負(fù)載兩端和MOSFET兩端都出現(xiàn)了交流成分。

2.3 加入電感產(chǎn)生交流成分的原因

電路加入線圈前用示波器探測(cè)R14兩端的電壓發(fā)現(xiàn)，R14上的電壓成分中并不是單純的直流成分。再次檢查電路的調(diào)整過程，可以發(fā)現(xiàn)問題出在集成運(yùn)算放大器與大功率N-MOS的調(diào)節(jié)上。根據(jù)運(yùn)放的電壓傳輸特性曲線，在U4的同相端3號(hào)腳施加0～2 V電壓信號(hào)后，6號(hào)腳輸出正向電壓最大值Uom+。Uom+驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通，形成了恒流回路。然后在負(fù)反饋的作用下，R14上電壓開始上升。運(yùn)放的輸出電壓變小，MOS管導(dǎo)通程度降低，R14的電壓變小。因此在R14上會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)，并不斷調(diào)整達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。用示波器將時(shí)間軸拉長(zhǎng)，可以看到未加電感時(shí)R14兩端電壓曲線如圖7所示。

圖7 未加電感時(shí)R14兩端電壓曲線

對(duì)回路中串聯(lián)電感的情況與無電感的情況分別進(jìn)行測(cè)量，獲得阻性負(fù)載與感性負(fù)載電路參數(shù)如表1所示。根據(jù)回路中出現(xiàn)的交流量可以看出，當(dāng)加入電纜后，回路中會(huì)出現(xiàn)較大的交流信號(hào)。

表1 阻性負(fù)載與感性負(fù)載電路參數(shù)

電路中一旦加入電感線圈或者較長(zhǎng)的電纜，電路的交流信號(hào)量迅速上升，與直流量相疊加達(dá)到一種新的平衡狀態(tài)。從電路上看，就會(huì)出現(xiàn)電路的直流電流與設(shè)定值不符的現(xiàn)象。

3 不同解決方案的效果比較

為了在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)電流能達(dá)到設(shè)定值，使反饋電路能夠正常工作，必須去除電路中的交流信號(hào)。利用電容將回路中的交流信號(hào)接地，從而使反饋電路中只有直流信號(hào)。

3.1 負(fù)載并聯(lián)電容

在負(fù)載兩端并聯(lián)電容，使交流信號(hào)通過電容。由于負(fù)載與MOS管都存在交流信號(hào)，故將負(fù)載兩端并聯(lián)電容。但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，在恒流源為負(fù)載供電時(shí)，需要測(cè)量負(fù)載中的電容放電曲線。如果在負(fù)載兩端并聯(lián)電容會(huì)影響實(shí)際的測(cè)試結(jié)果。由試驗(yàn)可以看出，在回路中并聯(lián)電容有利于交流信號(hào)的濾除，測(cè)試效果優(yōu)于純電感電路。

3.2 反饋電路并聯(lián)電容

根據(jù)MOS管上源極-漏極信號(hào)波形可知，在加入電感后，交流信號(hào)增加十分明顯，并直接影響了反饋電路中直流電流的調(diào)整。源極和精密電阻串聯(lián)，用示波器檢測(cè)精密電阻和MOS管之間的電壓波形。MOS管漏極電壓波形如圖8所示。

圖8 MOS管漏極電壓波形

從圖8可以看出，電壓出現(xiàn)了穩(wěn)定的波動(dòng)。因此可以在MOS的漏極和地之間并聯(lián)一個(gè)電容，從而去除交流信號(hào)而不影響直流回路的反饋調(diào)節(jié)。由于交流信號(hào)的頻率和幅度隨著控制信號(hào)的大小而變化，電容選取耐壓值足夠大的型號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)。此處電容選取100 μF/50 V的電解電容。在回路中并聯(lián)電容后，再次進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得回路中的交流信號(hào)與無電感時(shí)一致，電流也能及時(shí)準(zhǔn)確地達(dá)到設(shè)定值。并聯(lián)電容后，MOS管漏極電壓波形如圖9所示。

圖9 并聯(lián)電容后MOS管漏極電壓波形

從圖9可以看出，電壓的波動(dòng)明顯減小，交流分量被過濾掉。在加入電容后，即使串聯(lián)大量電纜，恒流源也能夠工作在正常狀態(tài)，電流不會(huì)出現(xiàn)較大偏差。電容補(bǔ)償前后回路電流測(cè)試曲線如圖10所示。此時(shí)，電路可以穩(wěn)定地輸出到設(shè)定值，滿足正常工作要求。

圖10 補(bǔ)償前后回路電流測(cè)試曲線

4 結(jié)束語

本文對(duì)流源電路在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的電流偏小現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了該電路在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流無法達(dá)到設(shè)定值的問題。對(duì)該試驗(yàn)分析得出，出現(xiàn)恒流源輸出在額定功率下無法達(dá)到設(shè)定值的原因是反饋電路中出現(xiàn)電壓波動(dòng)，影響了電路中電流的調(diào)整。對(duì)電路中出現(xiàn)的交流信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)去除交流信號(hào)的影響，提出一種采用并聯(lián)電容的解決方案。利用補(bǔ)償電容法進(jìn)行試驗(yàn)，取得較好的試驗(yàn)效果，解決了驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)直流恒流源電流達(dá)不到設(shè)定值的問題。在恒流源電路的應(yīng)用中，大部分是小功率驅(qū)動(dòng)。該電路在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載。如果配合相應(yīng)的接口，該電路可以升級(jí)為大電流供電恒流源，將具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。