1、武汉理工大学毕业设计（论文） 目录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1.1 课题研究背景 1 1.2 国内外研究 现状 2 1.3 课题研究内容 4 2 电子负载的功能与拓扑 5 2.1 直流电子负载的基本功能 5 2.1.1 电子负载的功能 5 2.1.2 电子负载的工作范围 6 2.2 电子负载的设计要求 7 2.3 电子负载方案选择 7 2.4 电子负载拓扑结构分析 8 3 电子负载在 MATLAB/Simulink 下的建模与仿真 11 3.1 电子负载的开环响应 11 3.2 电子负载误差放大器调节 14 3.2.1 误差放大器的选择 14 3.2.2 系统误差校正设
2、计 16 3.3 电子负载 N-Z 法整定 19 3.3.1 传递函数的近似 19 3.3.2 响应参数的整定 20 3.4 电子负载建模结果分析 23 3.5 恒阻、恒压、恒功率模式调节器的仿真 24 3.6 仿 真结果分析 26 4 直流电子负载电路设计 28 4.1 电子负载功率电路的设计 28 4.2 电子负载驱动电路设计 30 4.3 电子负载采样电路设计 30 4.3.1 电流采样 30 4.3.2 电压采样 31 4.4 电子负载保护电路设计 31 4.5 电子负载数字控制电路设计 33 4.5.1 数字控制器原理 33 武汉理工大学毕业设计（论文） 4.5.2 数字控制器外环与
3、模拟控制内环的整定 34 4.5.3 数字控制流程图 36 4.6 电子负载电源设计 37 5 直流电子负载热稳定分析与机箱设计 39 5.1 电子负载热稳定分析 39 5.2 散热片的影响因素及元件布局 40 5.2.1 高度、长度对散热片自然对流散热的影响 40 5.2.2 厚度对散热片自然对流散热的影响 41 5.2.3 体积对散热片自然对流散热的影响 41 5.2.4 器件布局 41 5.3 直流电子负载热稳定性仿真分析 42 结束语 44 参考文献 45 致谢 47 武汉理工大学毕业设计（论文） I 摘要 随着科技的发展，各类电力电子产品得到了越来越广泛的应用。然而目前对这些产品的试
4、验多以滑线变阻器和电阻箱等作为负载。这些负载采用的是有级调节，阻值和负载特性曲线都是固定的，负载形式比较单一，而且也较功率小，并且占用了一定的安装空间。因此，在电源测试系统中为了提高生产率，电子负载起着重要的作用。 本文首先叙述了电子负载国内外的研究现状以及电子负载在国内外市场上的发展情况。并简要概括了设计的任务和研究手段。接着对电子负载的基本拓扑进行了比较与选择。在此基础上，又进一步详细介绍了该控制系统的硬件 组成、控制方法以及热分析等方面的内容。在硬件设计中，对电子负载每个硬件模块进行分析。在控制方法部分中主要对电子负载采用的双环控制进行了详细的分析。在热分析部分中对电子负载散热片及散热功
5、能进行了分析。最后，本文就电子负载设计的特点，进行了归纳与总结。 关键词 ：电子负载； PID 调节；前向差分；热分析 武汉理工大学毕业设计（论文） II ABSTRACT With the development of science and technology, all kinds of electric and electronic products has been more widely used. However, trials of these products and more as the load to slide wire rheostat and resistance
6、 box. These loads is the level adjustment, the resistance and the load curve are fixed, the load forms a single, but also smaller than the power, and a certain amount of installation space. Therefore, in the power supply test system in order to improve productivity, electronic load plays an importan
7、t role. This paper first describes the development of electronic load research status at home and abroad as well as electronic load in the domestic market. And a brief summary of the task of designing and research tools.Then the basic topology of the electronic load comparison and selection. On this
8、 basis,further details of the control system hardware, control methods and thermal analysis and other aspects of content. In the hardware design, electronic load for each hardware module. A detailed analysis of the double loop control of the electronic load used in the main part of the control metho
9、d. In the thermal analysis section of the electronic load sinks and features. Finally, the electronic load design characteristics were summarized and summary. Key words: Electronic load; PID regulator; forward difference; thermal analysis 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 课题研究背景 电力 电子技术是近几年来发展比较迅速的一种高新技术，它将
10、电力技术、微电子技术及信息控制技术结合为一体，广泛应用于电气传动、机电一体化、新能源、核电、航天、材料、激光等领域 1。从国际到国内，电源行业内，制定了一系列的电源标准来衡量和考核电源产品的质量，如何科学快速地检测电源产品的性能和指标成了一大难题。静态能耗式负载像电阻和电阻箱等，采用有级调节，负载形式单一，功率小。现实中的实际负载形式比较复杂，通常都是动态的，即负载随时间、频率在不断的变化，传统的静态负载越来越不能满足电源测试的要求。因此，国内外学者都在寻 求可以替代的负载形式，产生了由电阻、电感、电容、晶体管和集成电路组成的电力电子负载。 负载是指连接在电路中的电源两端的电子元件，把电能转换
11、成其他形式能的装置，凡是对能够消耗能量的器件都统称为负载，而电子负载即为能消耗电能的负载 2。常用的负载有电阻、马达和灯泡等可消耗电源功率的元器件。不消耗功率的元器件，如电容，也可接上去，但此情况为断路。负载通常分为如下几种： 感性负载 :感性负载即具有电感的性质，磁场和电流不能突变。当负载电流滞后负载电压一个相位差时，负载为感性，如负载为电动机、变压器。 容性负载 :容性 负载即具有电容的性质，充放电和电压不能突变，当负载电流超前负载电压一个相位差时，负载为容性，如负载为补偿电容。 阻性负载 :当电流和电压没有相位差时负载为纯阻性负载，如家用的白炽灯、电炉 3。 过去人们往往使用一些互连的低
12、功率瓷盘电阻、滑线变阻器或电阻箱作为测试负载，这些负载分辨率低，阻值会因接触不良和发热发生变化。并且有如下缺点 4： 1) 设备笨重，携带不便，调节费力，精度难以保证； 2) 负载电流不能连续调节，从零调到满载在加电的状态下，易接触不良打火烧毁； 3) 难以用于程控化、数字化的自动化生产线上，更不能测试电 源的动态参数。 负载作为一个常规的电子设备在各种电子产品测试过程中起着重要的作用，其性能的好坏直接影响着测试结果的精度和准确度。为了得到理想的测试结果，阻值精确、性能优良的负载是必要的。常规的电阻负载 (滑动变阻器和电阻箱 )由于其温度的变化会引起阻值的变化，当电流很大时产生的热噪声及自身温
13、度骤然升高常常会影响测试结果。比如 :在对一些高精度稳压电源、功率器件、电池等设备进行参数检测时，负载的性能会影响参数值的不精确。 随着功率场效应晶体管 (MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)和场效应晶闸管等主要开关器 件的出现以及电力电子变换器拓扑的发展，现代电子负载是利用有源元件主动从电源中吸收电流，一般由放大器和功率器件等电子元件组成的可调负载，靠控制功率管或晶体管武汉理工大学毕业设计（论文） 2 的导通量 (占空比大小 )，通过功率管的耗散功率消耗电能的设备。它能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路，模拟负载是感性电阻或容性电阻，从而可以模拟真实
14、环境中的负载即用电器，实现对负载电流的实时调节和控制 5。 1.2 国内外研究 现状 电子负载主要由可控的电子器件组成，按照被测电源的类型可分为直流电子负载和交流电子负载，按照能量流动 形式上分为能量消耗型和能量回馈型。直流电子负载主要用来测量直流电源或者电池，可以模拟恒流、恒压、恒阻、恒功率等多种状态，交流电子负载主要测量交流电源，它可以表现为感性负载、容性负载、阻性负载等多种负载形式。本文主要叙述直流电子负载，直流电子负载的能量消耗型有如下几种。 （ 1） 晶体管式电子模拟负载 晶体管是通过一定的工艺，将两个 PN 结结合在一起的器件 6。通过控制基极电流可以控制集极电流，从而可以达到控制
15、晶体管作为一个可变负载的目的。如图绪 1 所示，文献 7中采用大功率晶体管作为一个电子负载。 P V -d e v i c eV s h i f tB a t t e r yR s h u n tI m o dVmod图绪 1 利用大 功率晶体管制作的电子负载 通过调节 Vshift 就可以改变晶体管集电极和发射极两端的电流，进而改变晶体管两端的电压。 （ 2） 场效应管式电子模拟负载 场效应晶体管 (MOSFET)工作在不饱和区时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅源电压控制的可变电阻。伏安特性曲线的斜率基本取决于栅源电压，阻值可跨越 3 5个数量级。因此，该区域又可称为可调电阻区。
16、用 MOSFET 做可变电阻具有工作速度快，可靠性好和控制灵敏度高等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低，寿命长 8。但是 MOSFET 的通态电阻较大，且负载电流 较小。所以 MOSFET 适合模拟一些变化速度较快，但电流不大的实际负载。 文 9给出了传统的以 MOSFET 作为电子负载的原理图，如图绪 2 所示。由图可以看出，通过运放及反馈来控制 MOSFET 的栅极电压，从而达到其内阻变化的目的。 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 M O S F E T控 制 信 号电 子 负 载待 测电 源图绪 2 场效应管式电子负载模拟图 （ 3） 绝缘栅双极型晶体管式模拟负载 绝缘栅双极型
17、晶体管，简称 IGBT，是 MOSFET 和晶体管技术结合而成的复合型器件，属于电压控制型器件。当 IGBT 工作在不饱和区时， 射极与基极之间的伏安特性可以看作是一个受栅极电压 CEU 控制的可变电阻。与晶体管相比，它的响应速度快；与 MOSFET 相比，它的负载电流大。通态阻值变化范围从 0.01-2变化。文献 10中采用 IGBT 来模拟动态电弧，参见图绪 3。将事先已测得的电弧阻值变化通过对单片机编程，来控制 IGBT 栅极电压的变化，从而达到 IGBT 作为可变负载时的阻值变化。这种电子模拟负载是用来完成对弧焊电源动特性的测试。 可 编 程 波形 发 生 器驱 动 电路保 护 电路弧
18、 焊电 路实 时 测 试分 析 系 统P C机电 流 传 感 器I G B T 模 块图绪 3 IGBT 电子负载结构框图 （ 4） 能馈式电子负载 由于纯电阻负载或电力电子器件能耗严重，造成资源浪费，而且散发的热量使负载的温度升高，影响可靠和安全性，体积也比较笨重，馈能型电子负载是一种新兴的电子负载 11，它采用开关方式的电力电子变换装置，绝大部分电能最后回馈到电网中，节约能源，而且控制精确便捷，稳定性好，具有广泛的应用前景。 （ 5） 综合型电子负载 为了达到一个负载快速响应并且消耗能量较少的目的，国外学者研制出了将上述能耗型电子负载与能馈型电子负载结合的电 子负载。这种负载在电源电压低的
19、情况下能够吸收足够武汉理工大学毕业设计（论文） 4 量的电流，并且可以模拟负载变化率高的情形。 该电子负载综合了上述两种电子负载的优势，它的响应迅速，能量消耗少 13。但是这种电子负载仍然处于原型机的研究水平。 随着近年来场效应晶体管的应用不断扩展，电子负载的研究由能耗型向能馈型转变，随着逆变技术的不断成熟，国内外有关能馈型电子负载的论文有很多，众多学者都在研究更经济、高效的电子负载。 国外对电子负载拓扑结构、并网回路控制等提出了很多观点。 数字化也是电子负载发展的一大方向。采用数字处理器的新型电子负载，可以提 高反应速度，而且达到较高的精度，应用在对精度有特别要求的场所。新型电子负载有较好的
20、动态特性和静态特性，可以对线性电源、开关电源、变压器等电子设备进行多种测试，并且达到很好的效果。这种电子负载是结合了电力电子技术、计算机控制技术和微机的测控技术，它的体积很小，节省了放置空间，而且降低了供电系统的容量等级，且各种性质的工作模式可以通过微处理器控制上的按键来灵活切换 12。 通过对网上有关电子负载零售商的观察可以发现，在中国大陆，电子负载主要以国外产品居多，如安捷伦、 Chroma 等，与国内生产的电子负载相比，其 体积更小，精度更高。 1.3 课题研究内容 本文首先研究直流电子负载系统的基本结构和工作原理，通过电子负载的基本拓扑分析电子负载的工作情况，然后进行电子负载控制系统设
21、计，通过对电子负载的建模，设计一款能够迅速响应给定的调节器，随后对电子负载的控制芯片 STM32F10X 系列单片机以及外围调理电路进行设计，使电子负载由模拟控制变为数字控制，最后对电子负载进行热分析，保证电子负载工作在一个稳定性良好的环境中。 第一章主要介绍电子负载的研究背景和研究现状。第二章主要是介绍电子负载的基本结构和各种工作模式。第三章主要是 设计电子负载的模拟控制系统设计。第四章是对电子负载电路的设计以及电子负载数字控制部分的计算。第五章是对电子负载进行热分析。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 2 电子负载的功能与拓扑 2.1 直流电子负载的基本功能 电子负载的表现形式多种多样，对
22、于直流电子负载，在稳态时，它表现为电阻性负载。根据电流变化规律的不同，电子负载可以模拟多种工作模式。最基本的工作模式有恒阻模式、恒流模式、恒压模式和恒功率模式。 2.1.1 电子负载的功能 电子负载用于测量电源对负载的响应能力，它的响应模式有静态模式和动态模式，静态模式即表现为恒阻模式、恒流模式、恒压 模式和恒功率模式。 恒阻模式：电子负载表现为恒阻性，负载电流的大小和外接电压成正比，它的功能与变阻器相似，可以根据需要进行调节阻值大小，而且所设阻值不随温度的改变而改变。伏安曲线如图 2.1 所示。 图 2.1 电子负载恒阻模式 V-I 曲线 恒流模式：通过电子负载的调节，负载电流不因电压的改变
23、而改变。恒流模式主要测试电压源或者电池的放电能力，以确定他们的性能。伏安曲线如图 2.2 所示。 图 2.2 电子负载恒 流模式 V-I 曲线 恒压模式：对于内阻较大的电压源或者电流源，通过调节电子负载等效的电阻值，在电子负载两端的电压保持不变的控制模式。此模式用于测试电流源的限流特性，可模拟电池的端电压，比较适合用来测试恒流充电器的性能。伏安曲线如图 2.3 所示。 电压 电流 电压 电流 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 图 2.3 电子负载恒压模式 V-I 曲线 恒功率模式：消耗在电子负载两端的功率保持不变的模式。当电压升高时，电流会减小，电压降低时，电流会增大。总之，电子负载会保持 P
24、=UI 为定值。伏安曲线如图 2.4 所示。 图 2.4 电子负载恒功率模式 V-I 曲线 电子负载的动态模式有连续模式、脉冲模式和触发模式，这种模式能使电子负载在两种负载电流之间反复切换，这些模式是用于测试电源的动态性能。 电子负载的连续模式，是电子负载在设置 A、 B 两个值之后，电流或者电压在这两个值之间切换。在动态模式下，电子负载每接到一个脉冲信号后，就会切换到设定值，在维持一定的脉宽后返回最初值。触发模式是每接到一个触发信号，电子负载就会在设定值之间切换。 2.1.2 电子负载的工作范围 图 2.5 电子负载工作范围曲线 对电子负载而言，总有一个工作的范围，这个范围如图 2.5 所示，电子负载有电压的上限 maxU ，与电流的上限 maxI 。在电压较低时，由于电子负载器件的限制，电子负载吸收的电电流 电压 maxU0 maxI1I 1U 电压 电流 电压 电流
