变压器直流电阻测试用大电流恒流源设计

闫晓磊

摘   要：针对目前变压器直流电阻测试用大电流直流恒流源的小型化需求，文章介绍了一种四相交错并联多路BUCK变换器，详细介绍了恒流源的设计原理及细节，并通过软件仿真的方法进行了验证，取得了良好的效果。

关键词：四相交错;多路并联;BUCK;恒流源;PWM

目前，在电力检测仪器行业中，变压器直阻测试用电源大多体積大而笨重，虽结构设计上增加轮子、拉杆等方便携带的功能设计，但却未从根本上解决体积小型化的需求。而在有些测试仪器中，电源的体积甚至占到了总体积的50%以上。随着电力检测仪器的普及以及竞争的日益加剧，各大公司纷纷提出小型化或手持式测试仪器概念。在此大环境下，电源小型化迫在眉睫。鉴于此，本文详细介绍了一种可以大幅缩小电源体积的恒流源设计方案。

1    设计原理

在大功率恒流源设计中，常规的做法是选用若干并联的MOSFET及体积很大的电感来保证电源所需的大电流。这不仅大幅增加了系统损耗，而且还使大功率电感直接带来的体积和重量的直线上升。四相交错并联技术的出现，为低压大电流电源的设计开辟了新的途径。

应用四相交错并联技术的BUCK电路主拓扑如图1所示，它是由4组BUCK电路并联组成，工作时同一时刻只有一组BUCK电路工作，4组BUCK电路控制信号相位依次相差90°，工作周期相同，4组BUCK电路电感电流叠加后的总电流与各直路电流对比波形如图2所示。由图2可知，4路CCM工作模块并联后总输出电流脉动较单模块减小很多，输出电流纹波大幅度减小，进而减小输出电压的纹波值，使输出电压更加理想[1]。而且总电流脉动频率是单模块的4倍，这将在不增加开关频率和开关损耗的情况下，大大减小输出滤波器的体积和重量。同时，能改善输入电流波形，减少输入电容的容量和体积。总之，电感值和电容值的大幅度减小，使得电路的体积变得更小，功率密度越来越大，为电源设计节省宝贵的空间。结合同步整流技术的应用，电源效率提升空间进一步加大，散热设计压力减小，电源体积进一步减小[2]。

2    软件设计

由于工艺水平的限制及误差的存在，各支路参数不可避免地存在一定的差异。如果直接并联，势必很难保证各模块平均分担负载电流，甚至导致系统崩溃。故各支路的均流成为软件设计的重点。为保证各支路最大电流可控，此处选择最大电流法自动均流方案，实时采集各支路电流，以输出电流最大的支路为主模块，其他模块为从模块，并对电流误差进行整定，校正各支路的输出电流，以达到均流的目的，进而最终控制总电流符合设计要求。各支路软件闭环控制框架如图3所示，其中，Iset为总电流输出设定值，Io为总电流输出采样值，Imax为各支路电流最大值，In为当前支路电流输出采样值。

3    仿真验证

基于以上原理，选择合适的软硬件参数，利用Matlab/Simulink创建仿真模型[3-4]，以输出100 A恒流为例，对以上控制理论进行验证[5]。所建仿真模型如图4所示。

各支路电流与总电流的对比关系如图5所示。由仿真输出结果可知，负载纹波电流为0.92 A，为总电流的0.92%。

4    结语

四相交错并联BUCK型电路可实现性强，尤其是在体积和重量上的突出优势，显示出广阔的市场应用前景。在电力检测仪器行业，可充分满足现有小型化或手持式测试仪器的应用现状。

[参考文献]

[1]唐刚，刘军，黄森，等.氮化镓器件在四相交错并联DC_DC变换器上的应用[J].电力自动化，2018（3）：94-96.

[2]魏泰鸣，杨毅.一种高效率低纹波的Buck电路改进方案[J].价值工程，2018（7）：176-178.

[3]姜春玲，王春玲.基于Matlab的Buck电路的研究[J].现代电子技术，2008（24）：31.

[4]申玮霓，王玉生，张利，等.光伏发电双管Buck-Boost电路两模式控制方法的仿真与实验研究[J].电气技术，2016（7）：52-56.

[5]刘丽媗.Buck电路的分析及其输出参数的设计[J].嘉应学院学报，2016（2）：45-48.

Abstract：In order to meet the miniaturization requirement of high current constant current source for transformer DC resistance testing， a four phase crisscross parallel buck converter circuit is introduced and the design principle and details of constant current source are introduced in detail in this paper， and verified them by software simulation method， and good results are achieved.

Key words：four phase crisscross; multiple parallel connection; BUCK; constant current source; PWM