大功率恒流源
大功率恒流源电路的原理
大功率恒流源电路的原理
大功率恒流源电路是一种能够提供稳定恒定电流输出的电路。
它主要由电源、电流采样电阻、比较器、控制器和负载组成。
其工作原理是通过不断调整输出电压，使得电流采样电阻上的电压与设定的电流值相等，从而实现恒流输出。
在大功率恒流源电路中，电源是提供电流的能量源，它可以是直流电源或交流电源。
电流采样电阻连接在电源和负载之间，起到采样电流的作用。
比较器用于比较采样电阻上的电压与设定的电流值，根据比较结果向控制器发出控制信号。
控制器根据接收到的信号，通过调整输出电压的大小，使得电流采样电阻上的电压与设定的电流值相等。
负载是电流源的输出端，它可以是电阻、电感、电容等等。
大功率恒流源电路的工作原理可以简单描述为：当负载电流小于设定的电流值时，电流采样电阻上的电压低于设定值，比较器会向控制器发出增加输出电压的信号；当负载电流大于设定的电流值时，电流采样电阻上的电压高于设定值，比较器会向控制器发出减小输出电压的信号。
控制器根据接收到的信号，调整输出电压的大小，使得电流采样电阻上的电压与设定的电流值相等，从而实现恒流输出。
大功率恒流源电路的应用非常广泛。
例如，在电子设备测试中，需要对负载进行恒定电流的供电，以确保测试的准确性和稳定性。
此
外，大功率恒流源电路还可以用于电池充电、电动车充电桩、LED 驱动等领域。
大功率恒流源电路通过不断调整输出电压，使得电流采样电阻上的电压与设定的电流值相等，从而实现恒流输出。
它在各个领域都有着广泛的应用，为电子设备的测试和负载供电提供了稳定可靠的电流输出。
怎样做出一个输出大电流的恒流源？
怎样做出⼀个输出⼤电流的恒流源？想制作⼤电流的恒流源有两种⽅法：⼀是采⽤运算放⼤器及精密基准电压源IC接成恒流源电路，并通过⼤功率三极管或场效应管扩流，这种⽅法最⼤可以获得数⼗A的恒定电流；⼆是采⽤三端稳压IC组成恒流源，这种⽅法电路较简单，⼀般可以获得⼏A的恒定电流。
下⾯我们分别介绍⼀下这两种恒流源电路。
▲运算放⼤器构成的⼤电流恒流源电路。
上图是采⽤超低失调电压运算放⼤器OP27及1.2V精密基准电压源ICL8069构成的⼤电流恒流源电路。
OP27同相输⼊端所接的1.2V精密基准电压由ICL8069产⽣，由于OP27⼯作于线性放⼤状态，其反相输⼊端电压与同相输⼊端电压相等，即也是1.2V，这样电阻Rs两端的电压亦为1.2V，由于Rs阻值固定不变，故流过Rs的电流便是恒定电流，改变OP27同相输⼊端的基准电压或Rs的阻值，即可调整恒定电流的⼤⼩。
这⾥的VT为⼤功率三极管，其作⽤是扩流。
由于Rs 接在三极管的发射极，故三极管的发射极电流和集电极电流也是恒定电流，若将负载接在集电极，这样流过负载的电流也是恒定电流。
上述电路中，运算放⼤器可以选⽤OP07、OP27这类低失调电压的运算放⼤器，VT可以选⽤2N3055、MJE13007这类⼤功率三极管。
▲三端稳压IC构成的⼤电流恒流源电路。
上述采⽤运算放⼤器组成的恒流源电路负载⼀端不能接地，这在⼀些测量电路中使⽤不太⽅便，若要求恒流源的负载⼀端接地，可以采⽤三端稳压器件LM317接成上图所⽰的恒流源电路。
▲ TO-220封装的LM317稳压IC。
由于LM317的Vout端与Adj端之间有⼀个稳定的1.25V固定电压，这样将R1接在Vout与Adj端之间，流过R1的电流就是恒定的，⽽负载RL与R1为串联关系，这样流过RL的电流也是恒定电流。
调整R1的阻值，即可改变恒定电流的⼤⼩。
由于LM317的最⼤输出电流为1.5A，故这种电路的最⼤输出电流亦为1.5A。
高精度大功率恒流源的研制
高精度大功率恒流源的研制黄薛龙安徽师范大学硕士学位论文二O一七年四月摘要大功率恒流源的应用越来越广泛，随着现代科技的进步，人们在工业、医疗、军事等各个方面对稳定的恒流源需求量越来越多。
但是目前国内对大功率恒流源的研究起步较晚，水平较低，研制的大功率恒流源整体性能落后于国外厂商，关键技术有待解决。
本文结合国内目前大功率恒流源存在的问题以及本人在恒流源研发课题中所做的工作，设计并实现了一款4500W大功率恒流源。
根据恒流源提出的参数指标，确定了整体系统方案。
本文所设计的恒流源核心电路是基于电流-电压负反馈，以实现输出电流的高稳定度。
为了提高系统的可靠性，根据参数指标设计了采样电路、驱动电路、保护电路以及防浪涌电路，分析了它们的特点和电路的原理，给出了详细的设计并完成了实验样机。
本文最终对设计的恒流源样机进行测试，所实现的参数指标为：最大输出电流15A；电流从0-15A连续可调；电流稳定度<0.1%；纹波电流<100mA，各项参数均满足设计指标要求。
关键词：大功率恒流源，MOSFET，水冷散热，纹波抑制ABSTRACTThe application of a constant current source is more and more extensive. With the advancement of modern science and technology, the demand for constant current is gradually increasing in the industrial, medical, military and other aspects. At present, the study of high-power constant current source started late. In China, the whole performance of development high-power constant current source behind the foreign manufacturers, the key technology remain to be resolved. In this paper, a 4500W high-power constant current source has been designed and implemented based on the problems existing in the domestic high-power constant current source and the work done in the research and development of a constant current source.According to the parameters set by the constant current source, the whole system scheme is determined. The constant current source core circuit designed in this paper is built on the current-voltage negative feedback to achieve high stability of the output current. In order to improve the reliability of the system, the sampling circuit, the driving circuit, the protection circuit and the surge circuit are designed according to the parameter index, and their characteristics and circuit principle are analyzed and the circuit schematic is drawn in detail.In this paper, the prototype of the constant current source has been tested and there are the parameter index that has been implemented: maximum output current 15A; current could be adjusted from 0A to 15A continuously ; current stability is less than 0.1%; ripple current is less than 100mA,, the parameters meet the design requirements.Keywords:High power constant current source, MOSFET , Water cooling, Ripple suppression目录摘要 (I)ABSTRACT ...................................................................................................... I I 第一章绪论.. (1)1.1 大功率恒流源的研究意义 (1)1.2 恒流源技术的国内外发展现状 (2)1.3 论文主要研究内容 (4)第二章4500W大功率恒流源理论分析和技术要求 (6)2.1 4500W大功率恒流源构成及理论分析 (6)2.2 4500W大功率恒流源的关键技术研究和技术指标 (8)2.3 本章小结 (9)第三章4500W大功率恒流源的设计方案 (10)3.1 电路总体设计方案 (10)3.2 各功能单元组件设计方案 (11)3.2.1 主功率变换电路设计 (11)3.2.2 采样电路设计 (13)3.2.3 驱动电路设计 (15)3.2.4 保护电路设计 (16)3.2.5 防浪涌电路设计 (17)3.3 辅助电源电路的设计 (18)3.4 本章小结 (20)第四章4500W大功率恒流源设计优化 (21)4.1 主要元器件选择 (21)4.1.1 功率MOSFET的选择 (21)4.1.2 采样电阻的选择 (23)4.2 散热器的设计与分析 (25)4.2.1 热设计理论分析 (25)4.2.2 散热器的设计 (27)4.3 恒流源电路PCB设计优化 (31)4.3.1 恒流源电路PCB布线处理 (31)4.3.2 恒流源电路PCB接地处理 (32)4.4 本章小结 (34)第五章4500W大功率恒流源的样机数据分析 (35)第六章总结与展望 (44)参考文献 (46)致谢 (50)攻读学位期间参与的项目及相关成果 (51)第一章绪论1.1 大功率恒流源的研究意义恒流源从根本意义上来说是能够向负载提供恒定电流的一种电源，在当今社会快速发展的风潮中，恒流源因为其广阔的应用前景而备受关注[1]。
一种大功率交流恒流源的设计
电气传动2021年第51卷第23期摘要：针对某些低压电气设备需要对特定电流的热效应进行严格测试的需求，设计了一种具有多种运行模式的大功率交流恒流源装置。
该恒流源装置采用多组逆变H 桥共直流母线的电路拓扑，以矢量控制作为核心算法，根据不同的测试需求，可选择不同的运行模式，包括单相独立运行模式、单相并联运行模式以及三相运行模式。
经过实验验证，所提出的具有多种运行模式的恒流源完全可以满足不同种类低压电气设备的测试需求，并且基于矢量控制理论的控制策略使该恒流源装置实现可靠高效运行，获得了低谐波、高精度的输出电流，具有广阔的应用范围和市场前景。
关键词：恒流源；逆变H 桥；LCL 滤波器；矢量控制中图分类号：TM464文献标识码：ADOI ：10.19457/j.1001-2095.dqcd22030Design of High Power AC Constant Current SourceSUN Chuanjie ，TIAN Kai ，CHU Zilin ，YANG Jingran ，ZHANG Zhonglei（Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China ）Abstract:For some low-voltage electrical equipment that requires strict testing of the thermal effects of specific currents ，a high power AC constant current source with multiple operating modes was designed.The constant current source adopts the circuit topology of multiple sets of H-bridge inverter common DC bus ，and uses vector control as the core algorithm ，according to different test requirements ，different operation modes can be selected ，including single-phase operation in independence ，single-phase operation in parallel and three-phase operation.Experimental results demonstrate that the constant current source can meet the testing needs of different types of low-voltage electrical equipment ，the control strategy based on vector control theory enables the constant current source to operate reliably and efficiently ，and obtains low harmonic ，high-precision output current ，the constant current source has a wide range of applications and market prospects.Key words:constant current source ；H-bridge inverter ；LCL filter ；vector control基金项目：天津电气院科研开发创新基金（GE2017ZL002）作者简介：孙传杰（1988—），男，硕士，工程师，Email ：***************一种大功率交流恒流源的设计孙传杰，田凯，楚子林，杨敬然，张中磊（天津电气科学研究院有限公司，天津300180）交流恒流源被广泛应用于低压电气设备的型式试验，当前市场份额基本被国内产品占据。
大功率交流恒流源电路设计-001
大功率交流恒流源电路
恒流源电路如图1所示：
图1交流恒流源电路
在图1中，应保证R3=R5=R6=R7，这样输出的电流比较稳定，同时R2应该尽可能的小，这样R2上面能耗就比较少。
图1中，R4是负载，当R2和输入电压V1保持不变的情况下，流过R4上的电流基本上保持不变，即可以认为是恒流。
下面的图2，图3，图4都是仿真结果图。
通过仿真可以看出，当其他条件都不变的情况下，仅仅改变负载的阻值，即R4的值，输出电流基本上不变。
由于LM1875具有交流和直流对地短路的保护功能和超载过热保护电路，可以输出最大功率为30W，因此，此电路可以输出的电流比较大。
理论上，如果R2为30欧，最大的电流可以输出将近1A。
图2
图3
图4。
大功率恒流源的设计
大功率恒流源的设计恒流源（Constant Current Source）是一种电子设备，它能够提供并保持稳定的输出电流，无论负载的电阻值如何变化。
在电路设计中，常常需要使用恒流源来驱动负载，例如LED、激光二极管等。
本文将介绍大功率恒流源的设计过程。
首先，我们需要明确设计的要求和限制条件。
在设计大功率恒流源时，需要考虑以下几个关键参数：1.输出电流范围：确定所需的输出电流范围，以满足特定负载的要求。
2.输出电压范围：选择适当的输出电压范围，以满足特定负载的工作电压需求。
3.输出功率：根据负载的功率需求，确定所需的输出功率范围。
4.稳定性：确保输出电流的稳定性，以防止负载中的电压和电流波动。
接下来，我们将介绍大功率恒流源的设计步骤：步骤1：选择适当的电流源在设计恒流源之前，我们需要选择适当的电流源。
一般来说，常用的电流源包括运算放大器、普通二极管、场效应管等。
选择电流源时要注意其输出电流范围和稳定性。
步骤2：设计电流反馈环路为了实现恒流源的稳定性，我们需要设计电流反馈环路，使输出电流与参考电流保持一致。
这可以通过负反馈来实现，其中负载电流与参考电流比较，并通过控制电流源来实现输出电流的调节。
步骤3：选择适当的功率放大器为了实现大功率输出，我们需要选择适当的功率放大器。
常见的功率放大器包括MOSFET、功率晶体管等。
选择功率放大器时要考虑其最大功率输出和效率。
步骤4：设计电源供应为了提供足够的电源供应，我们需要设计适当的电源电路。
这可以通过使用变压器、整流器和滤波电容等组件来实现。
步骤5：进行样品测试和优化完成恒流源的设计后，我们需要进行样品测试和优化。
这包括测量输出电流的稳定性、负载调整的响应速度等。
根据测试结果，我们可以对电路进行优化和改进。
最后，根据设计需求和实际应用要求，我们可以选择适当的元件和电路拓扑来实现大功率恒流源。
在设计过程中，需要综合考虑电流范围、电压范围、功率输出和稳定性等因素，并进行适当的测试和优化。
大功率led恒流源芯片
大功率led恒流源芯片LED（Light-Emitting Diode）是一种半导体光源，具有高效、节能、寿命长等优点，在照明、显示和信息传输等领域得到广泛应用。
为了驱动高功率LED，需要使用恒流源芯片来提供稳定的电流。
一、大功率LED恒流源芯片的原理大功率LED恒流源芯片的主要原理是通过反馈控制，保持LED电流的恒定。
它通常由一个电流检测电阻、一个比较器和一个功率驱动器组成。
1. 电流检测电阻：将LED串联电路中的电流转化成电压信号。
电流检测电阻的阻值大小直接影响到电流的测量精度。
2. 比较器：将电流检测电阻输出的电压信号与参考电压进行比较，生成一个误差信号。
误差信号表示实际电流与设定电流之间的差异。
3. 功率驱动器：根据比较器输出的误差信号，调整输出电流，使其接近设定电流。
功率驱动器通常采用PWM（脉宽调制）技术，通过调节脉冲宽度来控制输出电流。
二、大功率LED恒流源芯片的特点1. 高精度恒流输出：大功率LED恒流源芯片具有高精度的电流输出能力，能够保持恒定的电流，确保LED的亮度稳定。
2. 宽输入电压范围：大功率LED恒流源芯片通常能够适应宽范围的输入电压，从几伏到几十伏都可以正常工作。
3. 温度保护功能：大功率LED恒流源芯片通常内置了温度保护功能，当芯片温度超过一定阈值时，会降低输出电流，以保护芯片的安全性和寿命。
4. 高效率：大功率LED恒流源芯片通常具有高效率的功率转换能力，能够最大限度地减少能量损耗。
5. 可编程性：一些大功率LED恒流源芯片具有可编程功能，可以通过外部接口进行参数设置和调节，以满足不同应用的需求。
三、大功率LED恒流源芯片的应用大功率LED恒流源芯片广泛应用于以下领域：1. 照明应用：大功率LED恒流源芯片可以驱动高功率LED灯具，用于室内照明、道路照明、景观照明等。
2. 显示应用：大功率LED恒流源芯片可以用于驱动LED显示屏、大屏幕电视等，提供稳定的亮度和色彩效果。
XL6006超大功率恒流源
Featuresn Wide 5V to 32V Input Voltage Rangen Maximum Boost Output Up to 60Vn0.22V FB adjustable LED drive current n Directly drive 16 Series 1W/3W LED at VIN=24Vn Fixed 180KHz Switching Frequencyn Max. 5A Switching Current Capabilityn Up to 94% efficiencyn Excellent line and load regulationn EN PIN TTL shutdown capabilityn Internal Optimize Power MOSFETn Built in Soft-Start Functionn Built in Frequency Compensationn Built in Thermal Shutdown Functionn Built in Current Limit Functionn Available in TO263-5L & TO220-5L packageApplicationsn LED Lightingn Boost constant current drivern TFT LED Backlighting General DescriptionThe XL6006 regulator is fixed frequency PWM Boost (step-up) LED constant current driver, capable of driving Series 1W/3W/5W LED units with excellent line and load regulation. The regulator is simple to use because it includes internal frequency compensation and a fixed-frequency oscillator so that it requires a minimum number of external components to work.The XL6006 could directly drive 16 Series 1W/3W LED units at VIN=24V .The PWM control circuit is able to adjust the duty ratio linearly from 0 to 90%. An enable function, an over current protection function is built inside. An internal compensation block is built in to minimize external component count.Figure1. Package Type of XL6006Datasheet 180KHz 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current Driver XL6006 Pin ConfigurationsFigure2. Pin Configuration of XL6006 (Top View)Table 1 Pin DescriptionPin Number Pin Name Description1 GND Ground Pin.2 EN Enable Pin. Drive EN pin low to turn off the device, drive it high to turn it on. Floating is default high.3 SW Power Switch Output Pin (SW).4 VIN Supply V oltage Input Pin. XL6006 operates from a 5V to 32V DC voltage. Bypass Vin to GND with a suitably large capacitor to eliminate noise on the input.5 FB Feedback Pin (FB). The feedback threshold voltage is 0.22V.Datasheet180KHz 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current DriverXL6006Function BlockFigure3. Function Block Diagram of XL6006Typical Application CircuitFigure4. XL6006 Typical Application CircuitDatasheet180KHz 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current Driver XL6006Ordering InformationPart Number Marking ID Lead Free Lead Free Packing Type XL6006TE1 XL6006TE1 Tube PackageTemperature RangeXL6006SE1XL6006SE1Tape & ReelXLSEMI Pb-free products, as designated with “E1” suffix in the par number, are RoHS compliant.Absolute Maximum Ratings （Note1）ParameterSymbol Value Unit Input VoltageVin -0.3 to 36 V Feedback Pin Voltage V FB -0.3 to Vin V EN Pin VoltageV EN -0.3 to Vin V Output Switch Pin Voltage V Output -0.3 to 60 V Power DissipationP D Internally limitedmW Thermal Resistance (TO220-5L/TO263-5L) (Junction to Ambient, No Heatsink, Free Air) R JA 30 ºC/W Operating Junction Temperature T J -40 to 125 ºC Storage TemperatureT STG -65 to 150 ºC Lead Temperature (Soldering, 10 sec) T LEAD 260 ºC ESD (HBM)2000VNote1: Stresses greater than those listed under Maximum Ratings may cause permanent damage to the device. This is a stress rating only and functional operation of the device at these or any other conditions above those indicated in the operation is not implied. Exposure to absolute maximum rating conditions for extended periods may affect reliability.Datasheet 180KHz 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current Driver XL6006 XL6006 Electrical CharacteristicsT a = 25℃;unless otherwise specified.Symbol Parameter Test Condition Min. Typ. Max. Unit System parameters test circuit figure4VFB FeedbackV oltageVin = 5V to 12V, V out=24VIload=100mA209 220 231 mVEfficiency ŋVin=12V ,V out=51.2VIout=350mA- 92 - %Electrical Characteristics (DC Parameters)Vin = 12V, GND=0V, Vin & GND parallel connect a 100uf/50V capacitor; Iout=100mA, T a = 25℃; the others floating unless otherwise specified.Parameters Symbol Test Condition Min. Typ. Max. Unit Input operation voltage Vin 5 32 V Shutdown Supply Current I STBY V EN=0V 70 100 uAQuiescent Supply Current I q V EN =2V,V FB =Vin2.5 5 mAOscillator Frequency Fosc 144 180 216 KHz Switch Current Limit I L V FB =0 5 AOutput Power NMOS Rdson Vin=12V,I SW=5A35 40 mohmEN Pin Threshold V EN High (Regulator ON)Low (Regulator OFF)1.40.8VI H V EN =2V (ON) 3 10 uA EN Pin Input LeakageCurrent ILV EN =0V (OFF) 3 10 uA Max. Duty Cycle D MAX V FB=0V 90 %Datasheet180KHz 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current Driver XL6006Schottky Diode Selection TableCurrent SurfaceMountThrough Hole VR (The same as system maximum input voltage)20V 30V 40V 50V 60V1A √1N5817 1N5818 1N5819√ 1N5820 1N5821 1N5822√ MBR320 MBR330 MBR340 MBR350 MBR360 √ SK32 SK33 SK34SK35SK36 √ 30WQ03 30WQ04 30WQ05 √ 31DQ03 31DQ04 31DQ05 3A√SR302SR303SR304SR305SR306√ 1N5823 1N5824 1N5825 √ SR502 SR503 SR504 SR505 SR506 √ SB520 SB530 SB540SB550SB560 5A√50WQ0350WQ04 50WQ05Typical System Application for VIN=12V to driver 16 x 1W series LED unitsFigure5. XL6006 System Parameters Test Circuit (12V ~16 x 1W LED)Datasheet 180KHz 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current Driver XL6006 Typical System Application for VIN=12V to driver 8 x 3W series LED unitsFigure6. XL6006 System Parameters Test Circuit (12V ~ 8 x 3W LED)Typical System Application for VIN=24V to driver 16 x 3W series LED unitsFigure7. XL6006 System Parameters Test Circuit (24V ~ 16 x 3W LED)180KHz 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current Driver XL6006Typical System Application for VIN=12V to driver 16 series x 40 parallelWhite LED ArrayFigure8. XL6006 System Parameters Test Circuit (12V ~ 16 x 40 White LED) Typical System Application for SEPIC Buck-Boost LED DriverOutput Drive series 8 1W/3W LEDFigure9. XL6006 System Parameters Test Circuit (Buck-Boost LED Driver)180KHz 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current Driver XL6006Typical System Application for VIN=12V to driver 16 x 1W series LED units With Dimming FunctionFigure10. XL6006 System Test Circuit (12V ~16 x 1W LED with Dimming Function)Datasheet 180KHz 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current Driver XL6006Package InformationTO220-5LDatasheet 180KHz 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current DriverXL600611 Package InformationTO263-5L。
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大功率恒流源的设计
设计要求：
1. 输出功率达600W,输出电压可调的恒流源；
2. 输出电压有效值：24～48V （之间随意值均可）；
对应输出电流：25～12.5A ；
3. 输出电压频率：f ＝50～100Hz （可设置，分辨率为1 Hz ）；
4. PWM ，D 类功放；
5. 单片机控制LCD 显示电压电流值。
系统原理框图：
D 类功放模块方案
方案一：
首先产生50～100Hz 正弦波信号，将其与频率为数十千赫的三角波信号分别加到电压比较器的正反相输入端进行调制，产生脉宽可变的调制波，调制波的包络线为50～100Hz 的正弦波形。
将调制波进行开关放大，输出功率信号，最后滤波电路，得到低频率的50～100Hz 大功率电压信号。
信号发生
器 D 类功放 负载
测量
MCU 控制及
LCD 显示 大功率
电源
H桥也可用单电源供电
要想达到600W的输出功率，大功率电源必须可以提供600W的功率才行，要实现输出电压可调，则需要VCC可调，此处打算采用电压可调的开关电源供电。
单电源供电可生成±VCC的高频脉冲信号；双电源供电则可生成±2VCC的高频脉冲信号，便于得到更大的功率。
此方案的问题是：
通过四个大功率开关管组成的H桥后，负载电阻上的电压是浮着的，从测量安全考虑需要有接地端。
负载输出问题有两个方案:
1.可以采用分压的方式来进行转换，并联上大电阻就可以忽略其分流作用，这样输
出端子的电压和负载两端的电压还需要一个倍数转化的关系。
2.利用变压器进行隔离，使输出有接地端。
差分比例运算电路（极性转换）
本设计采用变压器进行浮地转换。
系统测量模块：
电流测量：通过电流互感器。
电压测量：分压之后进行采样。