高精度四象限源载装置

技术领域

本发明涉及一种电池、超级电容器等储能类产品的测试装置，尤其涉及一种高精度四象限源载装置。

背景技术

电池、超级电容器等储能类产品作为供电单元在航天和国防、消费类电子产品、计算机和外设、通信、半导体和汽车电子等行业得到了越来越多的应用。因此在对于该类产品研发、维修保障过程中不但需要测试充电特性，还需要测试放电特性。单纯测量稳态指标不一定能对产品进行良好的筛查，还需要瞬态加载测试以评估其直流输出特性。如今暂无相关测试装置可以满足测试要求。

目前，在市场上很难找到大功率、四象限的电源与负载合一的装置。普遍的方法往往是使用单独的直流电源提供所需的功率，配合电子负载吸收被测件的输出功率，用于其双向再生能源系统和器件的测试。单独而言，直流电源可连续地输出功率，而电子负载可以连续地吸收功率，并且都有出色的直流精度、稳定性和快速的动态响应，但是，使用两台设备进行测试对设备间的相互协调提出了更高的要求，并且测试设备成本也相应增加。同时测试地点不一定是在室内，对于测试设备也提出了便携性的要求。在单台功率不能满足使用时，还需要对电源和负载进行并联以获得更大的功率，这对于电源与负载的灵活行也提出了要求。

为了满足测试的要求，实现四象限源载装置的设计，需要突破双极性实现技术。

所谓双极性实现技术，即使用同一组输出端子可连续过零点输出正向与负向电压或电流而不需要切换输出端子的输出技术，这一技术突破了传统电源在不切换输出端子的情况下只能输出同一方向电压或电流的应用模式。实现这一技术不仅不需在应用中频繁切换输出端子，而且还可还原更加复杂而真实的电源输出情况，因此在应用中具有非常实际的意义。要实现这一技术，已不能仅仅依靠单一调整管输出的方案得以解决，因此研究具有双向输出能力的功率调整管对的输出技术成为技术研究的关键。

倒极技术的技术方案：

所谓倒极技术，实际上是将正向电源与负向电源分别输出，通过继电器切换输出端子分别接至正向电源或负向电源来实现最终电源的正负输出。当装置需要输出正电压或正电流时，控制器控制倒极继电器接至正电源的输出端；而在装置需要输出负电压或负电流时，控制器控制倒极继电器接至负电源的输出端，以此实现了输出方向的改变。

倒极技术的缺点：

1)采用双极性实现技术可以实现连续过零点输出正向与负向电压或电流而不需要切换输出端子。而倒极技术只能实现输出正向与负向电压或电流的功能，但无法实现连续过零的输出。

2)采用双极性实现技术既可以为负载提供正向和负向功率输入，又能够吸收负载释放的正向和负向能量，也就是具备四象限运行能力，能够构建无缝的电源和负载功能转换。而倒极技术只能够实现为负载提供正向和负向功率输入的功能，并不能实现吸收负载释放的正向和负向能量的功能，更不用说实现无缝的电源和负载功能转换了。

3)采用双极性实现技术由于使用软开关原理，因此不存在输出断档与打火等不可靠因素。而倒极技术存在切换断档与继电器打火与损坏的风险，可靠性受到一定挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度四象限源载装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的高精度四象限源载装置，包括由一只NPN型双极晶体管与一只PNP型双极晶体管组成的功放对管，两只双极晶体管使用相同的控制基线。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的高精度四象限源载装置，实现连续过零点输出正向与负向电压或电流而不需要切换输出端子；具备四象限运行能力；消除运行风险，提高装置的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例中功率输出单元电路示意图。

图2为本发明实施例中功率放大单元电路。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的高精度四象限源载装置，其较佳的具体实施方式是：

包括由一只NPN型双极晶体管与一只PNP型双极晶体管组成的功放对管，两只双极晶体管使用相同的控制基线。

所述NPN型双极晶体管为FJA4310，所述PNP型双极晶体管为FJA4210。

所述控制基线连接有多级放大电路，所述放大电路设有两个调制二极管。

所述控制基线连接有三级放大电路，使用NPN型晶体管2SC1845和PNP型晶体管2SA992作为第一级功率放大电路，使用NPN型晶体管2SC4027和PNP型晶体管2SA1552作为第二和第三级功率放大电路，使用两只1n4148二极管作为主控制信号的调制二极管。

所述控制基线设有控制软开关。

本发明的高精度四象限源载装置，采用晶体管或MOS管组成线性控制与功率放大管对的方案实现了双向的电压与电流输出，并实现了输出功率与吸收功率合一的四象限工作模式；采用二极管的控制调制方案对功率控制管进行控制，实现了连续过零输出；采用软开关控制的方案，实现了装置的可靠与安全。

具体实施例：

如图1所示，采用功放对管的形式来实现连续过零双极性调整的功能，即使用一只NPN型双极晶体管与一只PNP型双极晶体管组对进行功率输出，并且两只晶体管使用基线相同的控制信号进行射极输出，由于NPN管与PNP管的导通特性相反，可以保障两只功率管推挽工作。而在控制方面，只需控制功率对管的控制基线就可实现对两只管子导通状态的同时控制。

在此单元中功率管是其核心元器件，因此功率对管的选择是应该关注的地方，主要有以下几方面：

由于功率对管工作在放大区，因此希望功率管的放大区尽可能大一些，并且直流电流增益尽量高一些，因此尽量选择用于功率放大用途的功放对管，而非一般的高压晶体管或开关晶体管。

由于两只晶体管需要组成功放管对协同工作，因此为了性能平衡尽量选择性能参数相近的两只管子组对，通常情况下会在选定NPN晶体管后选择在其数据表中推荐的匹配PNP晶体管型号或经实验确定可良好组对工作的一对管子。

在选择晶体管时一定要注意晶体管的Vceo(集电极-发射极电压)参数，通常其值至少要大于两倍的最大主电源电压，并最好留有一定余量。

在选择晶体管时一定要注意晶体管的Pc(集电极功率耗散)参数，通常在设计时晶体管的功耗一定不要超过这个极限值，并且尽量选择Pc大一些的晶体管。

除了以上需要注意的地方，还应注意晶体管的Tj(结温)、Ic等参数是否可以满足设计的需求。

如图2所示，为了能够推动功率输出单元的功率晶体管对输出足够的功率，并且产生基于统一基线的驱动信号对，需要设计一个多级放大电路为功率输出单元提供足够的推动力。根据电流放大比例配比计算，设计放大级数为三级。同时由于双极晶体管的导通存在Vbe>0.7V的正偏置导通条件，因此为了实现输出端可以过零连续输出，需要将基线控制信号利用两只二极管分离出一对基于同一控制基线的控制信号对来分别控制两只双极晶体管，以免在0点附近出现控制盲区，导致过零输出无法实现。

在此单元中放大晶体管是其核心元器件，因此晶体对管的选择是应该关注的地方，主要有以下几方面：

由于功率对管工作在放大区，因此希望晶体管的放大区尽可能大一些，并且直流电流增益尽量高一些，因此尽量选择用于功率放大用途的功放对管，而非一般的高压晶体管或开关晶体管。

由于两只晶体管需要组成功放管对协同工作，因此为了性能平衡尽量选择性能参数相近的两只管子组对，通常情况下会在选定NPN晶体管后选择在其数据表中推荐的匹配PNP晶体管型号或经实验确定可良好组对工作的一对管子。

在选择晶体管时一定要注意晶体管的Pc(集电极功率耗散)参数，通常在设计时晶体管的功耗一定不要超过这个极限值，并且尽量选择Pc大一些的晶体管。

除了以上需要注意的地方，还应注意晶体管的Tj(结温)、Ic等参数是否可以满足设计的需求。

发明使用NPN型晶体管FJA4310和PNP型晶体管FJA4210组成了功率晶体管对对输出与吸收进行控制，使用NPN型晶体管2SC1845和PNP型晶体管2SA992作为第一级功率放大，使用NPN型晶体管2SC4027和PNP型晶体管2SA1552作为第二和第三级功率放大，逐级将输出或吸收的功率放大。使用两只1n4148二极管作为主控制信号的调制器件，最终实现了可四象限工作的高精度源载装置。

本发明的有益效果：

1)发明使用NPN型晶体管与PNP型晶体管组成晶体管对进行推挽输出的方案可以在装置输出正向电压或正向电流时由NPN型晶体管作为主控元件，而在装置输出负向电压或负向电流时由PNP型晶体管作为主控元件，并且其控制线使用两个二极管进行调制，有效地抵消了晶体管的开启电压，消除了晶体管控制的盲区，使NPN型晶体管和PNP型晶体管的控制区间连续，从而实现了可连续过零的双向电压、电流输出。

2)发明使用晶体管对的推挽输出方案不仅实现了双向电压、电流的输出(第一、三象限工作)，还可以通过控制线的调制，并且利用PNP型晶体管来控制和吸收端子输入的功率，使其消耗于管子之上，实现了类似于能耗式电子负载的功率吸收装置(第二、四象限工作)。

3)发明使用晶体管作为控制核心器件，采用软开关的形式对输出进行控制，有效地避免了传统继电器断路与打火等不安全因素，实现了系统的安全可靠。

具体实施中，可使用固态继电器对输出电压与电流进行控制，也可使用MOS管对或IGBT对输出电压与电流进行控制，在实际应用中均可实现四象限的控制，但是其根本原理与本方案基本相同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。