[实用新型]一种基于Howland电流源的大功率电压控制电流源

说明书

技术领域

本实用新型属于大功率电力电子电路设计领域，具体涉及一种基于Howland电流源的大功率电压控制电流源。

背景技术

电压控制电流源，即VCCS；属于恒流源的一种，其基本功能在于将输入电压信号转化成与其存在固定倍率关系的电流输出信号，因此又被称作电压—电流变换器。

电压控制电流源广泛应用于大功率半导体器件测试、显像管，功率发射管等真空原件的启动等领域。在大功率半导体器件的特性测试中，VCCS可发挥激励源的作用；在真空元器件启动过程中，VCCS为灯丝提供一个恒定电流用以避免灯丝由于启动冲击电流而烧毁；在电流表校验过程中，VCCS可作为基准源进行使用；在电力测量领域中，VCCS主要应用于比较式电流测量系统，提供了与被测电流进行比较的基准量。

在小功率电流源的应用场合中，通常直接使用运算放大器和稳压电路实现小电流输出，电路成闭环控制方式，有着较高的测试精度。

在大功率电流源的应用场合中，普通运算放大器闭环结构由于输出能力受限，不再适用；通常采用大功率达林顿管等功率器件实现大电流输出，且在开环控制下；这种方式会降低测试精度。

一种普通浮动负载型VCCS电路图如图1所示，从放大器的输出端向输入端引入负反馈，U_I为输入电压，R_s为采样电阻，R_f为反馈电阻，R₁为同相输入端接地电阻；根据运算放大器虚短、虚断的基本原理可得出输出电流与输入电压的传递函数为：

基本Howland电流源结构如图2所示，这种结构是以差分方式输入信号和反馈信号，U_I为输入电压，R_In1,R_In2为输入电阻，两个反馈电阻R_f+，R_f-分别从采样电阻R_s两端完成对输入信号的正负反馈；通常取：R_In1＝R_In2＝R_In，R_f+＝R_f-＝R_f。当R_s<<R_f，R_In时，输出电流与输入电压的传递函数关系式为：

在基本Howland电流源结构的基础上将传统采样电阻替换成电流互感器和转换电阻的组合形式，其基本结构如图3所示；这种电路与原图2中的电路相比，其他结构不变，只是将采样电阻R_s替换成一个一、二次侧线圈匝数比为1：n的CT和阻值为R_s’的转换电阻相连接的结构，三者之间的对应关系为R_s’＝nR_s，CT的一次侧一端直接与放大器输出端相连，另一端与负载相连接入输出回路，CT二次侧连接着转换电阻R_s’，两个反馈电阻R_f分别连接R_s’的两侧提取电压信号完成对输入端的正、负反馈。与基本Howland电流源结构相对比可得出输出电流与输出电压的传递函数为：

图3所示这种结构巧妙的规避了传统采样电阻在电路输出回路中的损耗和发热，提升了VCCS电路的能量转换效率和安全可靠性；当传统采样电阻阻值选择较低时，虽然在理论上降低了电路的损耗，但由于当前制造工艺的限制，低阻值电阻精度很难保证，从而无法保证VCCS的输出精度，因此图3所示结构在一定程度上提升了VCCS大电流输出下的输出精度，但是这种采用单个运算放大器方式的电路输出能力弱，功率运算放大器安全工作区域窄。

实用新型内容

为满足在大功率电流源应用场合的使用需求，进一步提升电压控制电流源输出能力，改善功率运算放大器安全工作区，提升VCCS电路热量耗散能力，并尽量保证电流源输出精度，本实用新型提供了一种新型的电压控制电流源电路。