线性功率级的多路并联型压控电流源及太阳能阵列模拟器的制作方法
本发明涉及一种电流源，尤其涉及一种线性功率级的多路并联型压控电流源，并涉及通过该线性功率级的多路并联型压控电流源实现输出的太阳能阵列模拟器。
背景技术：
太阳能阵列模拟器一般分为三个基本环节：功率级设计、控制系统以及基准发生技术，而功率级设计架构主要分为两种构架，分别为线性功率级架构和开关功率级架构。在中小功率等级条件下，一般采用线性功率级架构来实现，线性功率级实现方案即为采用功率晶体管，控制其工作于线性可变电阻区，从而实现恒流输出的特性；并且采用多路线性电流源并联的方式以提高其处理功率的能力，其处理功率的能力取决于热控设计，采用线性功率级架构方案的太阳阵模拟器电源输出质量高，动态性能优良，主要适用于航天，军事等对太阳阵模拟器测试设备动态性能要求较高的场合。
在大功率的应用场合一般采用开关功率级方案，开关型pv源模拟器为了实现i-v功率曲线输出功能，需要工作于降压模式，不同的开关功率级光伏源模拟器开关型拓扑可以是单相dc-dcbuck变换器，三相ac-dc电压源以及电流源整流器，半桥和全桥dc-dc变换器，以及llc谐振dc-dc变换器，还有其他功率级拓扑如带电流门限的直流可编程功率电源，带可变电阻器的直流功率电源或是可控开关电阻以及有源功率负载。采用开关方案作为太阳阵模拟器功率级实现构架可以处理较高的功率，适用于一般光伏工业测试场合以及对太阳阵模拟器动态性能要求不高的场合。
采用线性功率级方案的太阳阵模拟器，一般采用线性电流型输出，并采用多路线性压控电流源进行并联来提高功率处理能力。但是，由于受到体积和空间物理大小的限制，可完成的并联路数有限，输出功率一般较小，适用于动态特性要求较高并且输出模拟i-v精度教导的中小功率场合。
因此，总结以上实现太阳阵模拟器的两种实现构架方案，线性功率级方案的太阳阵模拟器具有优良的动态特性，模拟器输出的电压电流模拟精度较高，但是受到功率的限制，并且效率低，产生大量的热，体积庞大，所以很难应用于大功率场合。
而开关功率级方案虽然效率高，可实现大功率处理的能力，但是相对于线性功率级方案的输出电压电流纹波较大，供电质量一般；并且动态性能较差，不适用于大功率以及高动态特性需求的场合。
但是针对航天和军事等对测试电源的动态响应和功率输出精度要求较高的场合，开关型功率级方案一般无法满足该指标要求，一般会采用线性功率级方案。现存的线性功率级方案拓扑很难做到较大功率的输出能力，并且为了提高处理功率的能力，采用多路线性电流源进行并联的方案来实现。但是由于体积和空间物理距离的限制，一般的设计的线性功率级拓扑无法实现较多路数的并联，以及没有完整的线性电流源的晶体管选择优化方法，因此，无法满足实际的需求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种有利于实现多路并联，并提高太阳能阵列模拟器的高动态响应特性的线性功率级的多路并联型压控电流源，并涉及通过该线性功率级的多路并联型压控电流源实现输出的太阳能阵列模拟器。
对此，本发明提供一种线性功率级的多路并联型压控电流源，包括：
补偿级电路，通过运算放大处理实现相位补偿和动态性能优化处理；
驱动级电路，与所述补偿级电路相连接，所述驱动级电路用于实现驱动，并控制所述多路并联型压控电流源的并联路数；
线性功率级电路，与所述驱动级电路相连接；
差分电流采样电路，分别与所述补偿级电路和线性功率级电路相连接。
本发明的进一步改进在于，所述补偿级电路包括运算放大器opa2、电阻rc1、电容cc1、电阻rc2、电容cc2、电阻rc3和电容cc3，所述运算放大器opa2的同相输入端分别与所述电阻rc3的一端和电容cc3的一端相连接，所述电阻rc3的另一端至控制电压端，所述电容cc3的另一端接地；所述运算放大器opa2的反相输入端分别与所述电阻rc2的一端、电容cc1的一端和电阻rc1的一端相连接，所述电阻rc2的另一端通过电容cc2连接至所述运算放大器opa2的输出端，所述电容cc1的另一端与运算放大器opa2的输出端相连接，所述电阻rc1的另一端连接至所述差分电流采样电路。
本发明的进一步改进在于，所述驱动级电路包括驱动单元和分压单元，所述补偿级电路的输出端通过所述驱动单元连接至所述分压单元，所述分压单元连接至所述线性功率级电路。
本发明的进一步改进在于，所述驱动单元包括电阻rd1、电阻rd2、电阻rd3、场效应管t1和三极管t2，所述电阻rd1的一端与所述补偿级电路的输出端相连接，所述电阻rd1的另一端分别与所述场效应管t1的栅极和电阻rd2的一端相连接，所述场效应管t1的源极、电阻rd2的另一端和电阻rd3的一端均连接至所述三极管t2的基极，所述场效应管t1的漏极和三极管t2的集电极均连接至辅助电压端，所述三极管t2的发射极连接至所述分压单元。
本发明的进一步改进在于，所述分压单元包括电阻rd4和电阻rd5，所述电阻rd4的一端连接至三极管t2的发射极，所述电阻rd4的另一端分别与所述电阻rd5的一端和线性功率级电路的输入端相连接，所述电阻rd5的另一端接地。
本发明的进一步改进在于，所述线性功率级电路包括功率晶体管m、电阻rp1、电阻rp2、电阻rload和电流采样电阻rs，所述电阻rp1的一端与所述驱动级电路的输出端相连接，所述电阻rp1的另一端分别与所述功率晶体管m的栅极和电阻rp2的一端相连接，所述功率晶体管m的源极分别与所述电阻rp2的另一端和电流采样电阻rs的一端相连接，所述电流采样电阻rs的另一端接地，所述功率晶体管m的漏极通过电阻rload连接至总线电压端。
本发明的进一步改进在于，所述差分电流采样电路包括运算放大器和差分电阻器单元，所述运算放大器通过差分电阻器单元分别连接至所述补偿级电路和线性功率级电路。
本发明的进一步改进在于，所述差分电流采样电路的运算放大器为运算放大器opa1，所述差分电阻器单元包括电阻rf1、电阻rf2、电阻rf3和电阻rf4，所述运算放大器opa1的同相输入端分别与所述电阻rf1的一端和电阻rf2的一端相连接，所述电阻rf2的另一端接地，所述运算放大器opa1的反相输入端分别与所述电阻rf3的一端和电阻rf4的一端相连接，所述电阻rf3的另一端连接至所述电流采样电阻rs的接地端，所述电阻rf1的另一端连接至所述电流采样电阻rs的另一端，所述电阻rf4的另一端和运算放大器opa1的输出端均连接至所述补偿级电路。
本发明还提供一种太阳能阵列模拟器，所述太阳能阵列模拟器包括数字控制器单元、线性功率级单元和输出电压采样单元，所述线性功率级单元包括n路相互并联的如上所述的多路并联型压控电流源，所述数字控制器单元分别与所述线性功率级单元和输出电压采样单元相连接，所述线性功率级单元与所述输出电压采样单元相连接；其中，并联路数n为自然数。
本发明的进一步改进在于，所述数字控制器单元包括高速数模转换单元、高速模数转换单元以及高速fpga单元，所述输出电压采样单元输入端分别与所述线性功率级单元和正母线相连接，所述输出电压采样单元的输出端通过所述高速模数转换单元连接至所述高速fpga单元，所述高速fpga单元通过所述高速数模转换单元连接至所述线性功率级单元中的每一个多路并联型压控电流源，所述线性功率级单元与负母线相连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：有利于实现所述多路并联型压控电流源的多路并联，可实现的并联路数n≥20，并且能够应用于高动态响应需求的太阳能阵列模拟器中，有利于提高太阳能阵列模拟器的功率处理能力；所述太阳能阵列模拟器通过采用所述多路并联型压控电流源能够实现功率级发热源与信号控制单元很好的分离开来，即两部分电路可以存在长的物理距离而不至于工作不稳定，并且发热源远离控制电路进而能够有利于控制电路的稳定工作，不会因为工作环境温度过高而影响其期望工作特性。本发明所述太阳能阵列模拟器采用高带宽的线性功率级单元和高速的数字控制器单元，不仅具备超高的动态性能，而且输出的功率电流无纹波，对功率i-v曲线模拟精度高。
附图说明
图1是本发明一种实施例的电路原理示意图；
图2是本发明一种实施例的工作原理曲线示意图；
图3是本发明另一种实施例的系统结构示意图；
图4是本发明另一种实施例的输出特性曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1所示，本例提供一种线性功率级的多路并联型压控电流源，包括：
补偿级电路1，通过运算放大处理实现相位补偿和动态性能优化处理；
驱动级电路2，与所述补偿级电路1相连接，所述驱动级电路2用于实现驱动，并控制所述多路并联型压控电流源的并联路数；
线性功率级电路3，与所述驱动级电路2相连接；
差分电流采样电路4，分别与所述补偿级电路1和线性功率级电路3相连接。
本例可应用在新能源、逆变器电源测试以及航天器电源测试等系统中，采用了新型的线性功率级拓扑,给出优化线性功率晶体管的方法,实现了太阳能阵列模拟器的高动态响应特性。
如图1所示，本例所述补偿级电路1包括运算放大器opa2、电阻rc1、电容cc1、电阻rc2、电容cc2、电阻rc3和电容cc3，所述运算放大器opa2的同相输入端分别与所述电阻rc3的一端和电容cc3的一端相连接，所述电阻rc3的另一端至控制电压端，所述电容cc3的另一端接地；所述运算放大器opa2的反相输入端分别与所述电阻rc2的一端、电容cc1的一端和电阻rc1的一端相连接，所述电阻rc2的另一端通过电容cc2连接至所述运算放大器opa2的输出端，所述电容cc1的另一端与运算放大器opa2的输出端相连接，所述电阻rc1的另一端连接至所述差分电流采样电路4。
本例所述补偿级电路1是为解决线性电流源在实现多路并联的条件下的由于空间距离的寄生参数以及功率晶体管的寄生参数引入的额外的极点，进而造成相角下降过多所导致的环路不稳定的问题，本例所述补偿级电路1能够进行相位补偿和动态性能的优化。
如图1所示，本例所述驱动级电路2包括驱动单元和分压单元，所述补偿级电路1的输出端通过所述驱动单元连接至所述分压单元，所述分压单元连接至所述线性功率级电路3。
具体的，所述驱动单元包括电阻rd1、电阻rd2、电阻rd3、场效应管t1和三极管t2，所述电阻rd1的一端与所述补偿级电路1的输出端相连接，所述电阻rd1的另一端分别与所述场效应管t1的栅极和电阻rd2的一端相连接，所述场效应管t1的源极、电阻rd2的另一端和电阻rd3的一端均连接至所述三极管t2的基极，所述场效应管t1的漏极和三极管t2的集电极均连接至辅助电压端vaux，所述三极管t2的发射极连接至所述分压单元。
所述分压单元包括电阻rd4和电阻rd5，所述电阻rd4的一端连接至三极管t2的发射极，所述电阻rd4的另一端分别与所述电阻rd5的一端和线性功率级电路3的输入端相连接，所述电阻rd5的另一端接地。
本例所述驱动级电路2的设计是为了提高所述多路并联型压控电流源的并联路数，并且增加对功率晶体管的驱动能力。其中，所述场效应管t1为n沟道信号mosfet管，所述三极管t2为pnp三极管；所述电阻rd4和电阻rd5之间的分压作用，限制了送入场效应管t1的驱动电压，从而可以有效的而进行电流限制，起到限流保护的作用。并且电阻rd5在实际电路板的空间物理位置是贴近场效应管t1的栅极和采样电阻rs位置，属于电流型驱动级，这样有利于信号控制电路部分电路与发热源的功率级电路部分分开，进而不会因为物理距离过长而导致的电流振荡问题，有利于提高所述多路并联型压控电流源的并联路数。
如图1所示，本例所述线性功率级电路3包括功率晶体管m、电阻rp1、电阻rp2、电阻rload和电流采样电阻rs，所述电阻rp1的一端与所述驱动级电路2的输出端相连接，所述电阻rp1的另一端分别与所述功率晶体管m的栅极和电阻rp2的一端相连接，所述功率晶体管m的源极分别与所述电阻rp2的另一端和电流采样电阻rs的一端相连接，所述电流采样电阻rs的另一端接地，所述功率晶体管m的漏极通过电阻rload连接至总线电压端ubus。
本例所述功率晶体管m为n沟道功率mosfet管，需要选用动态寄生参数较小的，散热参数优良的，并且热稳定性较好的晶体管充当，例如热稳定优良的sic型mosfet和gan型mosfet，适合充当线性功率管，其所需要考量的功率晶体管的动态性能参数如表1所示，表1中以sic型n沟道mosfet型号为c2m0080120d参数为例。电阻rp1和电阻rp2是用来对管子的寄生电容参数的充放电进行限流和放电，电流采样电阻rs需要选用高精度以及温漂系数小的电阻。
表1实现多路并联型压控电流源高动态性能的功率晶体管优化参数考量
其中；gfs为功率mosfet的正向跨导；ciss为输入电容；crss为反向传输电容；coss为输出电容；package为封装类型；rθjc为结到封装壳的热阻；rθja为结到空气的热阻；多路并联型压控电流源对gfs优化方案需参考数据手册中的传输特性曲线；rθjc结到管壳的热值参数；rθja结到环境的热值参数。
如图1所示，本例所述差分电流采样电路4包括运算放大器和差分电阻器单元，所述运算放大器通过差分电阻器单元分别连接至所述补偿级电路1和线性功率级电路3。
具体的，所述差分电流采样电路4的运算放大器为运算放大器opa1，所述差分电阻器单元包括电阻rf1、电阻rf2、电阻rf3和电阻rf4，所述运算放大器opa1的同相输入端分别与所述电阻rf1的一端和电阻rf2的一端相连接，所述电阻rf2的另一端接地，所述运算放大器opa1的反相输入端分别与所述电阻rf3的一端和电阻rf4的一端相连接，所述电阻rf3的另一端连接至所述电流采样电阻rs的接地端，所述电阻rf1的另一端连接至所述电流采样电阻rs的另一端，所述电阻rf4的另一端和运算放大器opa1的输出端均连接至所述补偿级电路1。
在太阳能阵列模拟器中，信号控制电路与功率级电路之间的物理距离过长，采用本例所述差分电流采样电路4有利于将线路中的无用工模信号差分，提取有用的电流信号，送入闭环补偿电路。该差分电流采样电路4电路的设计有利于所述多路并联型压控电流源的多路并联功能的实现。
该多路并联型压控电流源的理想工作数学方程表达式为
实施例2：
如图3所示，本例还提供一种太阳能阵列模拟器，所述太阳能阵列模拟器包括数字控制器单元、线性功率级单元和输出电压采样单元，所述线性功率级单元包括n路相互并联的如实施例1所述的多路并联型压控电流源，所述数字控制器单元分别与所述线性功率级单元和输出电压采样单元相连接，所述线性功率级单元与所述输出电压采样单元相连接；其中，并联路数n为自然数。
即，本例采用实施例1所述的多路并联型压控电流源实现多路并联以完成太阳能阵列模拟器的输出功能，其系统结构图如图3所示。本例所述太阳能阵列模拟器简称太阳阵模拟器，即solararraysimulator。
如图3所示，本例所述数字控制器单元包括高速数模转换单元、高速模数转换单元以及高速fpga单元，所述输出电压采样单元输入端分别与所述线性功率级单元和正母线相连接，所述输出电压采样单元的输出端通过所述高速模数转换单元连接至所述高速fpga单元，所述高速fpga单元通过所述高速数模转换单元连接至所述线性功率级单元中的每一个多路并联型压控电流源，所述线性功率级单元与负母线相连接。
本例所述线性功率级单元是由n路相互并联的如实施例1所述的多路并联型压控电流源构成，并联路数n≥20，所述多路并联型压控电流源的并联路数n不仅不会影响整个功率级的带宽，而且可以大大增加线性功率级的功率处理能力，可以实现在大功率输出条件下的高动态特性。其中n路所述多路并联型压控电流源的基准为公共基准uiref，基准电压与总电流的数学关系如式
本例所述数字控制器单元包括高速数模转换单元(dac)、高速模数转换单元(adc)以及高速fpga单元，用于减小数字延时对整个太阳能阵列模拟器所在系统的环路影响。高速fpga单元通过差分采样电路给出的模拟器输出端电压采用国内信号，进行i-v表格查表，给出当前工作时刻需要的电流输出基准值，并通过高速数模转换单元(dac)转换为模拟基准电压送入所述线性功率级单元。本例所述太阳能阵列模拟器的工作基准i-v曲线和输出接口对外输出的功率i-v曲线如图4所示。
图4中，#3为所述太阳能阵列模拟器输出端采样电压usas_sa与高速数模转换单元(dac)给出的基准电压uiref之间的关系，得到的所述太阳能阵列模拟器输出功率i-v曲线为#4所示，所述太阳能阵列模拟器根据输出电压usas输出可控的功率电流isas。通过采用高带宽的多路并联型压控电流源(实施例1)和高速fpga单元所在的数字控制器单元，可以实现所述太阳能阵列模拟器输出的高动态响应特性，可以快速反应输出端分流切载条件下的i-v曲线上的工作点切换。图4中，uisc_ref为电流源输出设定的短路电流所对应的控制电压基准值，isc为电流源输出设定的短路电流，uoc_sa为太阳阵模拟器输出开路电压时对应的输出端电压采样值，uoc为太阳阵模拟器输出开路电压。
综上，本例在提供了一种线性功率级的多路并联型压控电流源的拓扑结构的基础上，还根据线性的工作环境和动态响应的指标需求，给出了线性功率管设计选型所需要重点考量和优化的参数；能够有利于实现所述多路并联型压控电流源的多路并联，可实现的并联路数n≥20，并且能够应用于高动态响应需求的太阳能阵列模拟器中，有利于提高太阳能阵列模拟器的功率处理能力；所述太阳能阵列模拟器通过采用所述多路并联型压控电流源能够实现功率级发热源与信号控制单元很好的分离开来，即两部分电路可以存在长的物理距离而不至于工作不稳定，并且发热源远离控制电路进而能够有利于控制电路的稳定工作，不会因为工作环境温度过高而影响其期望工作特性。本发明所述太阳能阵列模拟器采用高带宽的线性功率级单元和高速的数字控制器单元，不仅具备超高的动态性能，而且输出的功率电流无纹波，对功率i-v曲线模拟精度高。
同时，本例分析了适用于线性功率场合的晶体管优化方法，得出所用功率晶体管需要是大散热面、低热阻参数、低交流动态寄生参数以及晶体管材质选择的结论。针对该实施例1的线性拓扑实现的太阳能阵列模拟器，通过离线设定好直流母线输出电压ubus等于用户设定的开路电压uoc再加上一个偏置量电压δu(ubus＝uoc+δu)；所述太阳能阵列模拟器进入工作状态后，母线电压保持不变，采用高速的数字控制器单元，通过查表的方法，高速更新给定基准电压值，使得电压控制的线性电流源快速改变输出电流值，实现模拟输出功率i-v曲线条件下的高动态响应特性。本例所述太阳能阵列模拟器的实现方案能够使得太阳能阵列模拟器具备线性电流源的高动态特性和高质量的电流输出，可适用于中大功率以及高动态响应电源需求的测试场合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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