[发明专利]一种无缝的电源和负载转换系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于电源和负载转换领域，具体涉及一种无缝的电源和负载转换系统及方法。

背景技术

在进行系统和仪器的研发和生产测试过程中，不仅需要为被测件提供功率输入，还要吸收被测件释放出来的能量，为达到这一目的，一种常用的方法是采用单独的电源为被测件供电，再用负载吸收被测件释放出来的能量。这种方法的缺陷是无法实现电源和负载功能的连续转换。为了吸收被测件的能量，需要在系统中使用大功率的开关，继电器等元器件，让系统变得非常复杂，而且系统的可靠性和可重复性都达不到要求。

对于单独的直流电源来说，可以连续地输出功率，而电子负载可以连续地吸收功率，并且都有出色的直流精度、稳定性和快速的动态响应。因为被测件具有有源和动态的特点，根据其状态和工作条件，将直流电源和负载组合起来，在输出功率和吸收功率之间转换。

如图1所示，一种典型的电池仿真器系统(BSS)，就是将直流电源和电子负载组合起来，进行供电和吸收。

V_电子负载>(V_直流电源-V_二极管)。

直流电源处于输出状态，被测件吸收功率：V_被测件＝(V_直流电源-V_二极管)。

被测件处于输出状态，电子负载吸收电流：V_被测件＝V_负载。

电池仿真器系统是典型的电压系统；直流电源和电子负载都工作在恒压(CV)模式下。电子负载的电压设置要略大于直流电源，在它们之间存在一个电压差，会造成一个死区电压，使电池仿真系统无法工作在这个区域中。当被测件吸收电流时，电压依靠电源电压来维持。当被测件输出电流时，其电压上升，直流电源的输出就会截止，同时，电子负载会进入CV的工模式，并将电压钳制在略高的电平上。通常情况下，需要在直流电源输出端添加一个阻塞二极管，以防止被测件启动输出功率时，反向电流倒灌进入电源。但是，这种测试方案存在着以下一些无法避免的缺陷：

1、直流电源无法使用远端感应，因为如果远端感应线在二极管端，阻塞二极管将会导致直流电源不稳定；

2、功率输出和吸收之间的电压死区存在高阻抗。需要向直流电源和电子负载分别发送电压编程指令，使它们在BSS电压发生变化时相互进行跟踪；

3、为了在测试中协调直流电源和电子负载的工作状态，通常需要更为复杂配置；

4、电子负载不得不在截止和CV工作模式之间跳变，会在电流和温度发生变化时，阻塞二极管的压降会发生变化，导致直流电源和电子负载电压之间，需要增加几百毫伏的死区电压。

3和4两项因素，限制了双象限工作的灵活性和精度，并且影响了系统的静态工作性能。为了补偿静态工作下的死区电压，需要对BSS电压编程控制，使其能根据要求上、下调整，使电压值更接近需要的电压。然而，由于死区电压的存在固有的动态瞬变，进而会与电子负载CV模式瞬变交织在一起。

采用工作区间完全重叠的方法，来避免前面所述的由于非重叠工作区间所造成的死区电压等问题。

图2为配置成工作区间完全重叠的直流电源和电子负载。

I_负载>(I_最大吸收)，固定电平。

V_被测件＝V_直流电源。

被测件吸收功率：I_直流电源＝(I_负载+I_供给)。

被测件供给功率：I_直流电源＝(I_{吸收/负值}+I_供给)。

电子负载在CC模式而非CV模式下工作。电子负载的电流设置为固定值，大于被测件能提供的电流最大值。电子负载就会始终保持在CC模式下，吸收固定水平的电流和功率，不必应对模式的交叉问题。直流电源始终保持在CV模式下，并且始终供给电流。因此不再需要二极管。此BSS配置在整个供给和吸收范围内始终处于CV模式，没有电子负载模式交叉和静区电压瞬态，也就不会影响到包含非重叠工作的BSS配置。但是这种方法也存在以下缺点：

1、直流电源需要非常大，以便能够同时供应被测件所需要的最大电流和功率，以及电子负载连续吸收的完整电流。

2、电子负载经常消耗全部功率，对于大系统来说必须考虑到这一点。

3、测量需要读取直流电源和电子负载的电流并求差值，往往是用两个大值相减得到一个小值。此时测量精度会受到影响。