基于大功率直流恒流电源的研究

王林静 谭永彦

（1、山东钢铁集团莱芜分公司检修中心特钢作业区，山东 莱芜 271105；2、山东钢铁集团莱芜分公司特钢事业部，山东 莱芜 271105）

1 恒流源概述及应用情况

恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源。所谓“恒流”并不是电流值绝对不变。只是这种变化非常小，在工作范围内可视为基本稳定。现代电子技术的广泛应用，促进了对恒流源的需求。例如，大电流高精度恒流源在白光灯照明、蓄电池的快速充电器、电气触点微电阻测量、实验室等领域有着多方面的应用。

1.1 检测技术

在电流表校准过程中，将被测表和标准表并联在恒流源两端，通过调整恒流源输出至标准表刻度值，来检测被校表量程是否准确。电路参数直流电阻的测量，特别是小电阻测量，阻值不大而对精度要求又高。若用电桥测量，精度虽高但操作较繁，而采用标准精密恒流源测量则可以大大简化测量过程，可以在工厂中进行大量检测。

1.2 电真空及大功率照明器件

示波管、显像管等电真空器件的灯丝电阻很小，若采用稳压源，则在通电瞬间会形成大电流尖峰，缩短灯管寿命。若采用恒流源供电，在灯丝由冷变热的过程中保持电流恒定，可以延长灯管寿命。

1.3 实验装置和医疗器械

在许多医疗诊断仪器中，如CT断层扫描仪和超导磁源成像仪中的磁场均要求很稳定，否则会造成严重的测量误差。如果采用稳压电源，由于电磁铁线圈工作时发热等原因会使其阻值改变，因而供电电流变化，导致磁场不稳定。如果采用恒流源供电就能克服上述缺点。因此，凡是要求磁场十分稳定的装置，就必须采用恒流源供电。所以，在核物理实验装置中，如粒子加速器、质谱仪、β 谱仪以及云雾室，都必须采用恒流源供电。

1.4 工厂除尘装置

恒流源技术被广泛应用在在电除尘行业。如水泥厂的立窑收尘、回转窑尾电收尘、钢铁行业的结烧收尘、有色冶炼行业的电收尘等场合几乎全部使用恒流源。恒流源供电特性呈“正反馈”，即输出电功率大小与除尘器所需电功率大小成正比。当除尘器某时刻粉尘浓度变大，要使除尘效率保持不变，需要电源同步增大输出功率。正由于恒流源输出电流恒定，而输出电压随负载大小变化而变化，当粉尘浓度变大时，则恒流电源输出电压也同步增大，所反映在除尘器上即电源输出电功率是同步增大。

2 传统恒流源的实现方法

2.1 传统恒流源实现方法主要有以下三种：

（1）采用差分放大器构成的恒流源，包括镜像电流源、微电流源等。在集成电路中可为放大电路提供偏置电流。

（2）集成运算放大器构成的恒流源，分为负载浮置（负载两端均不接地）和负载接地恒流源。

（3）由三端稳压器件构成的恒流源，具有体积小、价格低、可靠性较高，便于大量生产。

上述传统电流源主要应用在集成电路芯片或小功率电路中，所提供电流较小。

2.2 大功率恒流电源组成及实现方法

传统恒流源输出功率小，效率较低，而在电镀、电除尘、开关器件检测等场合需要大电流高效率的电源。一般的工频开关电源，频率较低（50Hz左右），普遍采用工频变压器，当功率上升时，变压器体积和重量都急剧上升；且由于采用硬开关，功率管开关损耗大，电源输出效率低（75%左右）。而本设计采用高频变换器，输出频率在80kHz左右，采用的高频变压器体积小、重量轻，可大量节省有色金属；且采用软开关技术，减少功率管开关损耗，大大提高了电源输出效率（90%-95%）。

2.2.1 大功率直流恒流电源的组成部分

（1）输入模块：主要有输入高频滤波电路、整流滤波电路；

（2）变换器模块：主要有全桥变换器、移相控制电路、PWM产生电路、开关管驱动电路、隔离高频变压器等；

（3）输出模块：主要有同步整流电路、输出滤波电路；

（4）检测控制模块：主要有单片机、键盘及数码管电路、电流电压采样电路；

（5）辅助模块：主要有过流过温保护电路、辅助电源电路。

2.2.2 大功率直流恒流电源实现方法

系统输入为市电220V±15%，在输入模块的抗电磁干扰滤波器（EMI）滤去电网杂波，经过全桥整流和滤波电容后输出较平直的工频直流电（约300V）。在变换器模块，50Hz工频直流电通过全桥变换器后变换到80kHz的高频直流电。再经隔离变压器与输出模块的同步整流电路连接，经输出滤波电路滤去高频杂波，输出1-5V，10-100A恒流直流电。采样反馈电路通过分流器对输出电流采样，将反馈信号传送到UC3875移相控制芯片，实现电流负反馈，以达到恒流输出目的。同时输出电压和电流经AD转换输入到单片机，并通过7段数码管显示。系统可通过一个滑动变阻器使输出电流在10-100A连续可调，并可通过键盘设定或手动调节滑动变阻器连续调节输出电压。系统内还设置有过流过温保护电路，保障系统安全运行。

2.2.3 输入整流滤波电路设计

输入整流滤波电路包括过压保护模块、抗电磁干扰滤波电路、全桥整流电路、滤波电容。

（1）过压保护电路：电路中所产生的过压主要是雷击和电网电压尖峰，而二者中雷击产生的高电压危害最大。雷击时产生的高压加在压敏电阻RV1、RV2、RV3上时，其阻值降低，形成大电流通路，将高压产生的能量导地。当电流过大，则保险丝F1、F2烧毁，保护后级电路。

（2）抗电磁干扰滤波电路：由电感L1和电容C2、C3、C4组成的滤波网络不仅可以抑制电网产生的噪声及纹波干扰电源内部信号，也可防止电源本身产生的高频噪声回送到电网中。而电源开启瞬间产生的大电流则通过热敏电阻RT1耗散，随温度升高RT1阻值降低，耗散能量逐渐减小。

（3）全桥整流电路：采用四个二极管组成的全桥整流电路，具有输出电流纹波较小，效率高的特点。可在输入波形的正负半周同时进行变换，

（4）滤波电容：整流桥输出的有纹波电流经C5、C6滤波后可以得到平直的直流电流，且C5值越大，输出纹波越小。