基于TMS320F28335的恒流型馈能式电子负载的设计

摘要：针对电源设备出厂老化测试电能浪费问题，设计了一种基于TMS320F28335DSP的恒流型馈能式电子负载描述了一种原边带箝位二极管的ZVS移相全桥变换器的工作特点，采用了一种简便易行的移相波形数字控制方法；基于DC／DC电压前馈、DC／AC电压电流双环控制方法，研制出一台3．5 kW试验样机。实验结果表明：该系统性能稳定、调节速度快，能很好地满足测试老化及馈网要求。
关键词：电子负载；移相全桥ZVS；箝位二极管；TMS320F28335

随着电力电子技术的迅猛发展，新能源及各种节能技术的快速涌入，各类电力电子产品特别是功率变换器层出不穷。显然，传统的电阻箱老化方法已无法满足测试自动化及节能要求。电子负载作为一种测试电源设备性能指标的新型设备，因其具有节能、控制灵活、稳定性好等优点，近年来，得到了国内外学者的广泛重视与深入研究。
目前，电子负载产品繁多，拓扑结构也各种各样。但普遍存在开关损耗大、电能利用率低、无法满足隔离或馈网要求的缺陷，且市场上的电子负载大多适用于恒压源的老化测试，无法应用于恒流源设备。
本文研制了一台应用于恒流源设备放电测试的馈能式电子负载，该电子负载能对恒流源设备进行测试老化和逆变馈网，从而实现对电能的再生利用。随着电动汽车的逐渐普及，车载充电机的需求量也会增加，该电子负载无疑具有广阔的应用前景。
文中首先阐述了馈能型电子负载的基本原理，然后分别从硬件结构和控制策略重点分析，最后给出了实验参数与结果，验证了本方案的可靠有效。

1 系统拓扑与工作原理
1．1 系统结构
恒流型馈能式电子负载主电路如图1所示，它主要包括DC／DC直流变换器和DC／AC逆变器。DC／DC变换器需要对车载充电机进行负载特性模拟，即模拟蓄电池的充电特性，将输入恒流源转换为稳定的电压源，并实现高频隔离。它要同时级联充电机与逆变器，是整个系统的核心与难点。DC／AC逆变器通过对电网进行同步检测，将被测试电源输出的能量无污染的回馈给电网。

大小。然后，通过线性光偶电压采样电路，检测实际输入电压反馈值Ui，与设定值的偏差，送给PI环。最后，经PWM调节器，当Ui>时，增大占空比；当Ui时，减小占空比。实现对占空比的调整，从而调节支撑电容的充放电时间，维持输入电压恒定。
在整个过程中，系统实时监控充电机输出电流Icc与全桥电路中电流Idc。若Icc恒定，则充电机测试合格。当Idc超过电流允许值时，PWM调节器会对pwm信号进行控制，维持系统的可靠运行。
与其他DC／DC控制方法不同的是，本实验通过电压前馈的方法，来实现输出电压的稳定，实验结果验证了此方法的可行性。
2．2 DC／AC控制环
逆变环节采用双环控制，外环为逆变器直流侧电压控制环，内环为交流电流控制环。直流输出电压给定信和实际电压值U0偏差值，交给PID调节器后输出直流电流指令信号ImoIm和逆变器交流侧输入电网的电流幅值ia成正比，它与标准正弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号。与实际交流值ia的偏差值经P比例放大后，再经滞环控制得到spwm控制信号锁相环PLL保证交流输入电流的给定信号与电网电压同步同相。

3 实验结果及结论
3．1 实验参数
本实验以电动汽车车载充电机作为测试老化电源，其输出电流恒定为8 A，直流电压变化范隔为250～450 V。恒流式直流电子负载的主要参数如下：前级选用MOSFET SPW35N-60CFD双管并联，开关频率为50 kHz：高频变压器参数：铁氧体磁环，匝比1：1．5；整流二极管选用RHRG75120快恢复二极管；谐振电感Lr=12μH；隔直电容Cb=3μF；输出滤波电感Lr=156μH；输出滤波电容Cf=2 000μF。后级选用高频开关管选用MOSFET SPW35N60CFD，频率50 kHz，低频50 Hz，选用IGBT G80D60；LCL滤波电路参数：L2=L3=680μH，Cf2=4μF。实验结果表明，最大功率可达3．5 kW，工作效率约为88％，工作性能良好，且能实现全正弦回网。
3．2 基本波形
如图5所示，当输入电压设定为250V，开关频率为50kHz时的实验波形。图5(a)为功率管Q3驱动信号及漏板电压波形，由图可知Q3实现了零电压开通与关断。图5(b)为变压器原边电压及电流波形图，对比理论波形图图2可知，电压电流波形较理想。图(c)为逆变器并网输出侧电压电流波形图。

4 结束语
文中基于TMS320F28335高精度数字控制，采用一种原边带箝位二极管ZVS移相全桥变换电路，级联H桥逆变器的一种新型恒流型馈能式电子负载，经车载充电机放电测试，验证了数字控制系统实现的可行性，能可靠地实现软开关，很好的实现并网目标。