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1、高精度恒流源设计目 录摘 要Abstract 0 引言1恒流源入门1.1 恒流源定义1.1.1 简易恒流源1.1.2 运放恒流源1.1.3恒流源的基本要素2.电力电子技术和直流稳定电源2.1电力电子技术的概况2.1.2电力电子器件的发展概况2.1.3电力电子变换技术的发展2.1.4电力电子控制技术的发展2.2电力电子技术的发展趋势2.3直流变换器软开关技术3高稳定度稳流电源基础理论3.1稳流电源主要性能指标3.2直流稳流电源的现状3.3直流稳流电源的发展趋势3.4直流稳流电源的分类4.1结论参考文献 致谢摘 要电流源输出的电流与外部影响无关，是电子仪器设备的一个重要组成部分。随着信息时代的飞速
2、发展，电源设备也逐渐向数字化的方向发展。电流源可以看做输出电压随着负载而变化，保证负载中的电流恒定不变。以此为思路，本设计介绍了一种具有开路和过载保护的数字电流源。采用MCS51作为控制电路，TL494作调整电路。整个电路效率高，输出较稳定，纹波电流较小。主要性能参数：最大输出电压25V；输出电流范围 ；步进值20mA。本文先介绍了电流源的应用，然后简要说明电力电子技术，数控技术的发展，开始分析电流源的电路相应参数的计算，最后分析控制电路。其中，以控制电路的分析为重点，着重说明MCS51在电路中的应用。先说明硬件电路的组成，然后分析各个程序，说明控制的原理。关键字：电流源；数控；MCS51AB
3、STRACTCurrents output by current source unrelated with external parts , wich is an important component of electronic equipment. With the rapid development of the information age, power equipment gradually develops in the direction of digit. Seeing output voltage with the current sources can load cha
4、nge, ensuring the load current constant unchanged. Taking this as a way of thinking, the design of a building and introduced a number of current Over Load Protection sources. MCS51 used as a control circuit, TL494 adjusted circuit. Entire circuit efficiency can be higher ,the exporting more stable,
5、and the wave currents become smaller. The first introduced current source applications, and then a brief description of the power of electronic technology, digital technology, and follows the analysis of current sources circuit corresponding parameters calculated, the final is the analysis of contro
6、l circuits. The analysis focused on the control circuit, highlighting MCS51 circuit in the application. First on the composition of the hardware circuit, and then analysis the various of procedures on the control method.Keywords : current sources, digital, MCS511绪言恒流源入门恒流源是电路中广泛使用的一个组件，以下是比较常见的恒流源的结
7、构和特点。恒流源分为流出(Current Source)和流入(Current Sink)两种形式。最简单的恒流源，就是用一只恒流二极管。实际上，恒流二极管的应用是比较少的，除了因为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外，电流规格比较少，价格比较贵也是重要原因。图(1) 简易恒流源最常用的简易恒流源如图(1)所示，用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的be电压作为基准，电流数值为：I = Vbe/R1。这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其be电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。同时不同的工作
8、电流下，这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。为了能够精确输出电流，通常使用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。图(2)运放恒流源典型的运放恒流源如图所示，如果电流不需要特别精确，其中的场效应管也可以用三极管代替。电流计算公式为：I = Vin/R1这个电路可以认为是恒流源的标准电路，除了足够的精度和可调性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和调试。只不过其中的Vin还需要用户额外提供。从以上两个电路可以看出，恒流源有个定式就是利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流。有了这个定式，恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个“电压基准”的器件上。最简
9、单的电压基准，就是稳压二极管，利用稳压二极管和一只三极管，可以搭建一个更简易的恒流源。如图(3)所示：电流计算公式为：I = (Vd-Vbe)/R1L431是另外一个常用的电压基准，利用TL431搭建的恒流源如图(4)所示，其中的三极管替换为场效应管可以得到更好的精度。电流计算公式为：I = 2.5/R1事实上，所有的三端稳压，都是很不错的电压源，而且三端稳压的精度已经很高，需要的维持电流也很小。利用三端稳压构成恒流源，也有非常好的性价比，如图(5)所示。这种结构的恒流源，不适合太小的电流，因为这个时候，三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。电流计算公式为：I = V/R1，其中V是三端稳压
10、的稳压数值。实际的电路中，有一些特殊的结构，也可以提供很好的恒流特性，最典型的就是一个很高的电压通过一个电阻在一个低压设备上形成电流，如图(6)，这个恒流源的精度，取决于高压的精确度和低压设备本身导致的电压波动。在一些开关电源电路中，这个结构用来给三极管提供偏置电流。电流计算公式为： I = Vin/R1值得一提的是，以上这些恒流源并不都适合安培以上级别的恒流应用，因为电阻上面太大的电流会导致发热严重。图(2)可以通过使用更小的电阻来降低这个热量，不过在单电源供电模式下，多数运放都不能有效检测和输出接近地或者Vcc的电压，因此必须使用特殊的器件才能达到要求。有个简单的办法是通过一个稳压器件（稳
11、压管，或者TL431等）偏置电阻上面的电压，使得这个电压进入运放的检测范围。恒流源的基本要素恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定。只要能够得到电流，就可以有效形成反馈，从而建立恒流源。能够进行电流反馈的器件，还有电流互感器，或者利用霍尔元件对电流回路上某些器件的磁场进行反馈，也可以利用回路上的发光器件（例如光电耦合器，发光管等）进行反馈。这些方式都能够构成有效的恒流源，而且更适合大电流等特殊场合，电力电子技术的概况随着19世纪初电磁学原理的发现，电力技术得到了很大地发展，各种电气设备如变压器、发电机、电动机相继出现，电能成为人们生活中不可缺少的部分
12、。随后，晶体管特别是三极管的出现促使电子学进入一个新的台阶，集成电路和微电子技术的进一步发展成为可能。伴随着电力技术和电子技术的发展，许多新的控制技术和方法也诞生了。至今，随着用户对供电要求的提高，电力技术、电子技术和控制技术融为一体成为一门新兴的交叉学科:电力电子技术。电力电子技术是二十一世纪的关键技术之一，它是一门使用电力半导体器件，应用电路和控制理论知识分析开发，实现对电能的高效变换和控制的技术。电力电子技术是电工技术的分支之一。应用电力电子器件和以计算机为代表的控制技术，对电能特别是大的电功率进行处理和变换，是电力电子技术的主要任务。可以认为，电力电子技术研究的内容包括以下三个基本内容
13、: 元器件(电力电子器件，磁元件及电容器)。 电力电子变流技术，包括改变频率、电压、电流及变换相数。 电力电子电路的控制技术。现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。当前，电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来.电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电相结合.电力电子器件的发展概况电力电子学诞生以后，人们常把相对应的半导体学科分为两个
14、分支:一个是以集成电路为核心的微电子学;另一个则是以大功率半导体器件为代表的电力电子学。前者单元器件的功率越来越小;后者单元器件的功率越来越大电力电子器件，既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力。近年来，随着应用领域的不断扩大，要求集成电路功率化，功率器件集成化，这又把半导体学科的两个分支有机地结合起来，于是就出现了功率集成电路(PowerIC)简称PIC，它使微电子技术和电力电子技术相辅相成，把“信息”与“功率”合为一体。可以说电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机的。下面概略介绍国内外先进的电力电子器件的发展动向和目前水平。(1)双极功率晶体管最近几年来，双极功率
15、晶体管的发展主要集中在高速开关反相应用器件方面。由于双扩散工艺的成熟，使器件的电压、电流、功率等额定值达到很高水平并己经出现了许多具有较快开关速度和较低开关损耗的新器件。随着模块化技术的进步，巨型晶体管(GiantTransistor)简称GTR，已经向高耐压、大容量方向发展。双极功率晶体管应用的主要局限性是随着阻断电压的增加，器件增益降低。由于双极功率晶体管是电流控制器件，增益减小导致了控制信号的增加，这就需要分立电路来实现，从而增加了成本。另外由于受安全工作区的限制，双极功率晶体管的应用需要缓冲电路，这也会提高应用中的系统成本。总之，目前双极功率晶体管器件发展的主要目标仍是高速晶体管、达林
16、顿晶体管、功率模块以及混合集成器件的制造。(2)晶闸管与可关断晶闸管(GTO)自从1957年晶闸管问世以来，其功率容量大约增加了3000倍。今后的发展方向仍是高压、大电流。目前最高科研水平为1000A,12000V。光触发晶闸管的稳定生产水平已经是4000A,8000V，而且具有过压自保护功能它在直流输电、无功补偿、大功率直流电源、超大功率和高压变频调速等方面仍有广阔的应用领域。与晶闸管相比，GTO具有快的关断速度，高的关断电流容量和大的关断安全工作区。它代表了晶闸管的发展方向。(3)功率MOSFET功率场效应晶体管集中了电子管、双极功率晶体管和晶闸管等优点，它具有开关速度快、驱动功率小和极好
17、的安全工作区(SOA)等特性，因此，在高性能的开关电源、斩波器和电机控制的逆变电源中得到越来越广泛的应用。它的特点如下:MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子的存贮效应，开关速度极快，目前IC直接驱动的功率MOSFET的开关频率均高于l00kHz。在IMHz左右高频工作下的DC/DC转换器已经问世。 (4)绝缘栅双极晶体管(IGBT)IGBT的主要特点是能集MOSFET的电压激励和达林顿管的大电流低导通电阻特性于一体，还保存了高速、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流，对温度不敏感等MOSFET所拥有的一切优点。用相同面积芯片制作的工GBT，其最大输出电流可比同类MOSFET的输出电流增
18、加两倍以上。IGBT有一个固有的特点，即其开关输出脉冲后沿有约1,us长的拖尾电流。此电流会产生一定的开关损耗。(5)静电感应晶体管(SIT)与静电感应晶闸管(SITH)静电感应晶体管(SIT)与静电感应晶闸管(SITB)分别于70年代初期及中期在日本研制成功，现已应用于许多领域。功率SIT是具有非饱和输出特性的多子器件，可实现极高速工作;由于它具有正温度特性，能实现多个SIT并联工作，容易实现大电流化。SITH与普通晶闸管和GTO相比，有低正向压降、高开关速度、高阻断增益、高导通和高关断电流增益，以及高di/dt和dvldt容量等优良特性。与SIT相比，导通电压较低，但开关速度也低于SIT。
19、它在大容量应用方面很有前途。总之，今后电力电子器件将沿着一下几个方向发展:大容量化，即高压、大电流;高频化，即提高器件的开关速度;易驱动，主要向电压驱动方向发展;低导通压降，可降低导通损耗;模块化，使主电路结构简化，体积缩小:功直集成化，将驱动、保护、检测、控制等功能与器件集成，使装置更为简化。1.1.2电力电子变换技术的发展从电能变换功能来看，电源设备中常用的变换电路有四种:AC/DC,DC/AC，DC/DC,AC/AC。每种又有单相，三相及其它各种电路类型。下面仅就四种变换电路的发展方向进行概述性的介绍:AC/DC变换将交流电变换成直流电称为AC/DC变换，这种变换的功率流向由电源传向负载
20、，一般称为“整流”。通常单相半波可控整流电路因其性能较差，只应用于小功率场合，在实际应用中，广泛使用的是单相全波可控整流电路。其电路形式有:单相桥式全控整流、单相桥式半控整流及单相双半波整流电路。三相AC/DC变流器具有比单相变流器更加优越的性能，诸如输出电压高、脉动程度小、源侧功率因数高以及动态响应快等。因此它不仅在中、大功率领域中得到广泛应用，而且还在直流电机调速系统中得到应用。常规的整流装置，由于工作方式的影响，功率因数低，且谐波电流污染了电网，而导致用电设备之间的相互干扰。因此近年来，国内外研究功率因数校正器(PFC)成为热点。正是由于单级PFC电路在满足谐波标准的同时还能够实现低成本
21、、高性能，尤其适用于小功率应用，因此具有很大的市场前景。DC/AC变换将直流电变换成交流电称之为DC/AC变换，也就是通常所说的“逆变”。中、高压大功率逆变技术是当前电力电子技术的一个最新发展动向。它们主要应用于大功率电机调速传动系统和电力系统。这一方面是因为工业应用的实际需要;另一方面是因为在这一领域有许多挑战性的前沿研究课题:如高功率开关容量(50MVA)、高耐压(9000v)、大电流(6000A)的新型大功率器件;新型多电平逆变器;大功率逆变器的串并联及动态投切;超大功率逆变器的EMC、保护及控制:新型灵活交流输电系统等。DC/DC变换将直流电能的任一参数(IGM值和极性)加以转换，实现
22、这一转换的装置称为直流变换器或斩波器。以直流变换器为核心的开关电源随着电力电子技术和计算机科学与技术的发展，其应用越来越广，目前己成为一个重要的新兴产业。1985年有人提出了移相控制PWM变换器，通过调节移相角的大小来调节输出电压。目前，DC/DC电源的软开关技术仍是电力电子技术的一个研究热点。AC/AC变换AC/AC变换亦称交流调压与周波变换，把恒定交流变换为可变交流称为交流调压，把固定频率的交流变为频率可变的交流称为变频。变频电路按照变换次数又可分为间接变频和直接变频两种结构。前者指包括整流和逆变两次变换，即将工频电网的交流电能经整流器变换为直流电能，再由逆变器变换为另一频率的交流电能。这
23、种电路结构较简单，技术也较为成熟，生产上已得到广泛应用。直接变频电路较间接变频电路在结构上复杂，但只有一次转换，系统效率较高，对大容量装置有价值。电力电子控制技术的发展电力电子控制策略的发展体现在各种控制理论和控制思想的尝试和应用。目前，在PFC整流，波形控制方面都出现了许多令人满意的控制技术。比例积分PI控制是工程实际中应用最广的控制器，它概念清晰，容易实现，且鲁棒性强。比例P调节影响系统的稳定性，积分I调节消除静态误差、增加稳态精度，同时又增加了控制的相位滞后。PI控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，因此系统的稳态精度不容易满足要求。重复控制是一种基于周期的控制方法，现已广泛应用于质子同步
24、加速器等高精度高稳定度磁铁电源系统。重复控制的基本思想来源于控制理论中的内模原理，在重复信号发生器内模的作用下，控制器进行逐周期点对应式的积分控制，通过对波形误差的逐点补偿，实现稳态时无静差的控制效果。二瞬时内环反馈控制是通过负反馈使反馈量接近给定，并抑制反馈环所包围的环节的参数变动或扰动所引起的偏差。因此在逆变器控制中，若给定为正弦，瞬时值内环控制能使输出电压波形尽量接近正弦，从而减小输出电压畸变率。电压电流的双环控制可以避免单环控制在抵抗负载扰动方面的缺点，同时具备优异的动、静态特性，是一种高性能的波形控制方法。但是它也有自身的不足，就是电流内环的设计要求具备足够宽的带宽，这就使得对数字控
25、制器提出了很高的要求。现在，电力电子器件、电力电子新电路以及新控制策略的发展都是相辅相成、相互促进的。新器件的产生使得新的电路和控制能够实现，同时一种新的电路和应用又反过来促进器件的发展。1.2电力电子技术的发展趋势时间进入21世纪，如何解决能源、资源和环境问题，成为困扰我们人类生存的重大问题，以功率变换为目的、以实现高效获得高品质电能为根本任务的电力电子反唇技术，同微电子、计算机技术相结合将成功地解决这些危机。功率变换技术的发展趋势可以概括为:高频化、高效率、无污染、模块化.21世纪电力电子技术研究领域可从电力半导体器件、电力电子成套装置及控制理论三大方面来探讨，而电力电子成套装置又随行业的
26、不同可分为很多方面。1.3直流变换器软开关技术自电力电子开关变换器出现以后，PWM技术以效率高、动态性能好、线性度高等优点在各种电力变换器中得到广泛的应用，而且己经被认为是电力变换器领域中一项成熟、理想和重要的基本控制技术，在今后仍然具有较大的发展潜力。直流变换器一般采用PWM控制方式，开关管工作在硬开关状态。传统的PWM硬开关技术有下述缺陷:(1)开关器件在开通和关断时由于开关管的电压和电流的交叠区产生的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加;(2)开关器件关断时电路中的杂散电感产生很大的di/dt，过高的电压尖峰加在开关器件的两端容易造成开关器件电压击穿:(3)当开关器件在高压下开通时，
27、开关器件结电容通过开关器件放电，产生很大的冲击电流，不仅增加器件的损耗，而且还可能导致器件的过热损坏;(4)开关器件在开关过程中产生的高频噪声造成传导和辐射干扰。因此硬开关直流变换器的开关频率不可能太高。然而电力变换器的体积和重量与开关频率有着直接的关系。提高开关频率可以使变换器中变压器、电感等磁性元件以及电容的体积和重量都大为减小，从而提高变换器的功率密度。此外，提高开关频率对于降低开关电源的音频噪声和改善动态性能都大有好处。在直流电力变换器中，提高开关频率的基本思路是发展新型的主电路拓扑及运行方式实现“软开关”来改善器件的开关轨迹，提高开关频率，减小开关损耗。一般是通过有序、受控的谐振造成
28、开关管的零电压或零电流开关环境，并让变换器中全部或部分开关管只在这种环境下进行开通和关断，即“软开关”技术。直流开关电源的软开关技术一般可分为以下几类:(1)全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器。 (2)准谐振变换器和多谐振变换器。(3)零开关PWM变换器。 (4)零转换PWM变换器。本文主要内容高能物理研究中的粒子(质子、电子、重离子等)加速器、核磁共振装置、超导电工技术研究以及计量测试等精密应用都对电源的性能和规格提出了新的要求。高度发达的现代化科学技术迫切需要高精度高稳定度的电源.主要内容如下:第一部分 介绍了高稳定度电源基础理论。并从数学的角度，给出了高稳定度电流源的主要性能指标的定义
29、第二部分 简述了直流稳流电源的控制结构第三部分 设计出方案并进行了实验。第四部分 对实验产生的数据进行了分析，得出稳定电源中影响稳定度的主要因素及解决手段2高稳定度稳流电源基础理论2.1稳流电源主要性能指标稳流电源的主要性能指标是电流稳定度，它表明电源在输入交流电压、负载电阻和环境温度变化时，以及在开机运行过程中，使电源输出电流维持给定值的能力。一般情况下，稳流电源在输入电压Uin、负载电阻RL、环境温度T改变时，输出电流都会改变。另外，开机后电源本身的有关参数也会随着运行时间t改变和漂移，引起电流的漂移，电源输出稳定电流I。可用下式来表示 (2.1)由于稳流电源输出电流Is是个多变量的函数，
30、对其变化量l.，计算时必须分别对各个变量单独变化时所引起的变化量进行计算，然后再综合，而当计算某一变量时，不考虑其他变量的影响。这样所得到的电流输出量对该变量导数即是偏导数，这些偏导数与相应变量的增量之积就是该变量所引起的电流输出量变化，如下式所示: (2.2)为了表示稳流电源在上述固素变动影响下的稳定性，通常采用以下指标:I.电流长期稳定度si:表示在规定时间内，输出电流的变化与当时输出电流相之比，即 (2.3)其中包含了输入电压、负载、温度及环境的影响，规定时间一般取8小时、24小时不等，在实践中多用该指标来衡量电源的稳定性。2.稳流系数si:表示在负载电阻和环境温度不变的情况下，输出电流
31、的相对变化量与输入电压相对变化量之比，即 其中Uin/Uin常以10%作为基本单位。3.动态内阻Ro:表示在输入电压和环境温度不变的情况下，输出电压的相对变化量与输出电流相对变化量之比，即: 理想稳流源的内阻为无限大。4.温度系数kit;表示在输入电压和负载不变时，电源输出电流的变化量与环境温度的变化量之比。kit=以上三个指标主要用来衡量稳流电源的稳定性。5.电流纹波ri;:电流纹波大小通常用输出电流中交流分量的峰峰值或有效值与当时直流分量的比来表示。ri=(27).直流高稳定度电源的现状及发展趋势随着电子设备向高精度、高稳定性和可靠性方向发展，对设备的能源部件一电源也相应地提出了更高的要求
32、。在稳定电源里面，鉴于理论和工艺等多方面的差异，通常按稳定度划分为普通稳定电源和高稳定度电源。普通稳定电源是许多电子设备和实验室必须具备的部件或设备，其稳定度大约在1%0.1%范围。高稳定度电源也是一种具有稳定控制的二次电源，它和普通稳定电源的区别在于其输出电压(或电流)高度稳定，至少优于100PPM(万分之一或1X10-4)，在目前的高稳定度电源中，输出稳定度最高达0.001PPM(十亿分之一)。高稳定度电源体系发展到今天的规模，时间并不长。直到二十世纪六十年代，世界各国在要求高质量供电的技术中，还普遍采用蓄电池供电方式。蓄电池最突出的优点是纯直流特性以及无电网干扰，但蓄电池的使用、运输、维
33、护都不方便，又不经济，而且有腐蚀性的液体或气体挥发物损害工作人员的健康和精密的仪器仪表。更主要的在于其容量有限，传输损耗大，放电曲线不理想，大电流使用不稳定。此外，某些运动的负载对象，装载蓄电池显然不太方便，随着科学技术的发展，蓄电池这种传统的供电方式在许多方面已越来越不适应了。二十世纪六十年代以后，有了新的发展。首先是空间技术、控制技术和测量技术的实际需要，随着优质振子的自稳零放大器、光电放大器、电流比较仪等臻于完善，直至约瑟夫森效应在技术上的成熟应用，加上材料和工艺的进一步提高，把高稳定度电源技术推上了新水平。短短的十几年间，高稳定度电源在许多方面不仅仅能够取代蓄电池，而且在容量和性能上远
34、比蓄电池优越，功能更完善，逐步形成高稳定度电源这一现代电源技术分支。直流稳流电源的分类按照控制方式不同，高稳定度直流稳流电源还可分为以下几种:线性电源、相控电源和开关电源。线性电源利用大功率晶体管的放大特性来进行工作，它又分为串联调整稳流和并联调整稳流两种方式。线性电源的稳流特性好，动态响应快，噪声小，但是在大电流工作时，需要串联和并联较多数量的大功率晶体管，特别是作为低压大电流电源时，因为有调压器预调压，因此效率更低，响应很慢。晶闸管相控电源是利用晶闸管的相控特性来稳流的。晶闸管相控电源输出纹波较大，对电网干扰比较严重，一般采用多相串联或并联整流工作以减小纹波，由于晶闸管是半控元件，有一定的
35、失控时间，因此电源的动态响应较线性电源慢。但是相控电源输出功率大，相关技术已相当成熟，可靠性好、效率高，性价比高。开关电源可分为斩波器方式和变换器方式两种。开关电源利用开关管的开关特胜，通过控制开关管占空比进行工作，工作频率达几十至几百千周，省掉了体积庞大的工频变压器和电抗器，因而电源效率高、体积小，但输出功率较小，且存在电磁兼容问题。但是近十年来，随着新型半导体开关元件的出现，和各种软开关拓扑结构的提出，有效克服了开关电源的固有缺点，提高了开关电源单机输出功率，开关电源迅速普及开来，得到广泛应用。目前在中小功率电源方面，几乎完全取代了线性电源和相控电源。同时采用变换器并联和开关管并联，开关电
36、源的输出功率大幅度提高，在中、大功率领域也逐步占有一席之地。2.2直流稳流电源控制结构高稳定度直流稳流电源是一种以半导体元件为功率变换和控制器件的、以稳定输出电流为目的的大功率电力电子设备。在磁铁电源中，其输出功率从几百瓦到几百千瓦，输出电流从几安培到几千安培不等。高稳定度直流稳流电源是由基准、电流采样装置、功率变换器、调节器、滤波器、负载等几部分组成的，采用负反馈闭环调节原理的系统，原理框图如下图所示基准提供参考电压，决定着稳流电源的输出值;电流采样装置对电源实际输出电流采样，提供反馈信号;调节器对基准电压与反馈电压的差进行放大;调节器的输出信号作为控制信号去控制稳流执行环节一功率变换器的动
37、作:滤波器对输出电流进行滤波，然后将符合要求的电流供给负载。对线性电源来说，执行环节是大功率调整管;对可控硅相控电源来说是可控硅整流器;对开关电源来说则是开关变换器。(I)基准Uref:又称给定环节，用来提供基准信号，一般为电压信号，但代表给定电流。基准首先要好，意即基准的稳定度要非常好，因为电源的输出随基准几近相同比例变化。一般说来基准的稳定度要高于整机输出量稳定度半个量级以上。基准是高稳定度电源的基础，不论是模拟基准还是数字基准，除应根据要求选择基准外，对其外围元件和工作状态也必须精心选择，确保所选基准工作在最佳状态。(2)采样反馈环节:用以测量电源输出电流，并将其转换成反馈电压信号Uf，
38、以便和基准进行比较。反馈电压信号是否能准确反映输出电流的变化同样决定电源的稳流精度。对电流检测转换元件的要求是高带宽，以便对电流的变化能够快速反应;高精度，能够准确地反应被测电流的细微变化:长期稳定性，包括对温度、时间的稳定性，减小电流检测元件对输出电流的影响:抗干扰能力强。(3)误差放大校正环节，又称为调节器;放大校正环节是带有校正环节的放大器，将反馈信号Uf与基准信号Uref进行比较，得到误差信号U。一方面放大误差信号AU，得到控制信号Uk，另一方面改善电源的动态响应。稳流电源中用的较多的有比例-积分(PI)调节器，比例-积分-微分(PID)调节器等，调节器的性能与电源特性密切相关。(4)
39、执行环节:对线性电源来说，控制信号Uk送入调整管的基极，控制调整管的集电极电压:对相控电源来说，DUk送入晶闸管的触发电路，控制晶闸管的导通角;对开关电源来说，DUk送入脉宽调制器，控制开关管占空比。(5)其他环节:主要指电源的滤波器和负载，还包括各种继电保护电路及状态监测电路等。2.3直流稳流电源的稳态误差直流稳流电源的稳态误差可分为两类:第一类为静态误差(简称静差)，与电源系统的类型及输入信号有关，包括给定静差和扰动静差，静差可以通过系统的调节来克服;第二种为系统误差，主要由电流采样单元、调节器、基准的温漂、时漂引起的，是电源系统无法克服的误差。稳流电源控制结构可用传递函数表示如下:给定静
40、差传递函数Gc(s)为调节器，一般采用运算放大器电路Gcn(s)为功率变换器Gld(s)一般为磁铁线圈，是一个惯性环节;Hd(s)为电流采样环节，实际上可以看作一个比例因子。Uref是基准给定U3(S)为调节器误差Us(S)为功率变换器误差U2(S)为电网扰动、负载扰动等综合影响稳定度而调节器又无法克服的误差主要有三项:(1)基准源偏差dUref:基准源不稳定，发生变化时，将直接影响电源的稳定度。(2)采样偏差dHd:当电流采样装置反馈系数变化时，检测出的反馈信号不能真实反映电流而使电源的电流出现误差，从而影响电源的稳定度。(3)调节器引入的偏差dU3:在进行分析计算时，一般使用集成运算放大器
41、来作为调节器，并且将集成运算放大器进行理想化处理，而实际工作中，实际的元件性能与理想运算放大器是有差别的，并不满足上述理想化条件，因此对实际集成运算放大器来说存在计算误差.2.4减少系统误差的措施及其实现方法前一节已经分析了直流稳流电源的稳态误差的主要来源，并给出了提高稳定度的主要方法。本节主要介绍如何实现这些方法，以减少那些影响稳定度而调节器又无法克服的误差。2.4.1基准电压源当基准电压Uref由于某种原因不稳定而量值变化时，将使输出电压或输出电流以同样的相对值变化。因此基准电压的稳定度将是稳压电源和稳流电源稳定度的极限值，再加上其他因素对稳定电源稳定度的影响，一般电源的稳定度要比基准电压
42、的稳定度要低一个数量级。因此，若要获得电源较高的稳定度，必须使基准电压的稳定度高于所要求的电源稳定度一个数量级.基准电压的不稳定，主要是由于基准电压源的温漂、噪声、包括向基准电压源供电的辅助电源的电压波动及纹波等影响所造成的。因此对于基准源主要的要求就是温漂低、噪声小。基准一般有标准电池、稳压二级管等。标准电池稳定度非常好且无噪声，但电压比较低，只有1V左右，输出功率较小，调节不方便，存在使用寿命问题;稳压二级管等由半导体元件组成，由于硅管和锗管相比稳定性较好，所以稳压管几乎都用硅管。它的基准电压高，调节方便，使用寿命长，得到了广泛的应用，但半导体元件易受干扰、有噪声、受温度影响比较大。随着集
43、成电路技术的不断进步，模拟集成电路制造商推出了许多种类的高精度集成基准电源。为了实现高精度，通常都利用硅半导体材料本身固有的特征电压作为基准电压(比如齐纳二极管反向击穿电压或者基射结电压Vgg)。但由于硅半导体对温度敏感(具有一定的温度系数)，所以为了解决温度漂移问题，通常选择一种与基准电压的温度系数极性相反但绝对值相近的器件或电路(例如Vgg)，使两者结合起来，相互温度补偿，使总体温度系数趋近于零。数字基准是近几年来新发展起来的，它利用程序来调节输出电压的高低，然后将调节好的数字信号通过D/AC变成模拟电压信号供电源使用.数字基准的优点是精度高而且调节非常方便，且可以得到任意波形的基准信号。
44、数字基准的主要问题是存在量化误差，即受位数限制，不可能得到完全光滑的模拟信号，另外，数/模转换过程中存在转换时间的问题。随着集成电路技术的不断进步，高分辨率、高稳定性、高速AC/DC和DC/AC的芯片不断涌现，数字基准的性能越来越优越，其优势也越来越明显。基准是高稳定度电源的基础，不论是模拟基准还是数字基准，除应根据要求选择基准外，对其外围元件和工作状态也必须精心选择，确保所选基准工作在最佳状态。2.4.2采样环节跟基准电压源一样，采样环节也会直接影响电源的稳定度。所以，在选用电流采样装置时，要用漂移小、稳定性好的电流传感器。这对于高稳定度电源来说尤为重要高精度电流检测元件一般有分流器和直流电
45、流传感器两种。分流器实际上是一个毫欧级的电阻，由锰铜合金等受温度影响非常小的材料制成，电阻温度系数可达到lppm/0C。为减小采样环节对稳定度的影响，可加大采样电阻的值，以提高电流的采样信号电压，提高信噪比，相应地也要提高基准电压;这样采样电阻上所消耗的功率也大，大功率应用时需要冷却，常用的冷却方式为油浸水冷;也可以对采样电阻进行温度补偿。在CEBAF的电子回旋加速器中采用的电流采样装置就是利用分流器，温度系数可达15ppm/0C1311。分流器的主要缺点是体积较大，功率损耗大。直流电流传感器(DCCT)克服了分流器的不足，采取非接触式测量电流，体积小、输出电压高、功耗小。根据工作原理可分为两
46、种，一种采用霍尔效应原理，这种传感器由于利用霍尔效应，因此受温度影响比较大，精度在1%左右，但价格便宜，在加速器电源中主要用在稳定度不高的电源中，或作为电流保护检测元件。另外一种采用零磁通原理，这种电流传感器对温度、对时间的稳定性非常好，分别为lppm/0C,0.lppm/month，带宽在100KHz，广泛应用在高稳定度电源中。2.4.2运算放大器选择在稳定电源中，运算放大器常被用作比较放大器或误差放大器，处于稳定电源的调节系统的最前级，因此，运算放大器除了本身增益高外，它对处于调节系统末端的功率变换电路的影响，还必须乘上运算放大器后各级所有的放大倍数。在运算放大器的输入端，任何微弱的干扰信
47、号，均有可能得到放大，从而对电源产生影响。因此，运算放大器的好坏，对稳定电源能否具有优良的调节性能关系重大。传统的高精度高稳定度电流源大多是线性电源，体积小效率低。高频PWM电源具有高效节能、体积小重量轻、噪声低等优点，是电力电子的发展方向。本节将详细介绍主电路工作原理和主要元器件的设计方法，并对主电路进行仿真分析以验证设计方法和所选参数的正确性。数字控制方案的优势和不足随着微电子技术、计算机技术的发展，以及数字控制理论的成熟和发展，数字控制系统的优势日益明显。近年来，数字控制技术在电力电子领域获得了广泛的应用，采用以微机为基础的数字控制替代模拟控制已成为现代电力电子电路控制的重要发展趋势。相
48、对模拟控制系统，数字控制系统一般具有下列优势(1)系统紧凑，通用性强，可一机多用，性能价格比高。(2)控制规律灵活，且可在线修改控制算法或参数。(3)可以实现许多先进、复杂的控制算法，可从根本上提高系统的性能指标。(4)抗干扰能力强，可以获得较高的稳定性和控制精度。一般来说，元器件的精度很难达到10-5，而数字调节器的运算精度则很容易达到这个数量级。(5)便于实现控制、管理与通信的结合，可提高分布式系统的自动化程度和可靠性。然而高精度高稳定度电流源要实现数字化仍有相当的难度，需要有大的突破。采用更高速的DSP，可以适当提高变换器的开关频率，但若仍采用现有的控制方式，要满足开关频率100kHZ以上或是控制更为复杂的高频开关功率变换器的要求，仍将是十分团难的。高精度高稳定度电流源实现数字化的主要难点至少包括:(1)变换器开关动作对采样的严重干扰。(2)检测的量化误差导致控制精度显著下降。(3)高速运行下数字化脉宽调制(PWM)