名稱：源載一體機

設計背景：

現在新能源速度迅猛，儲能逆變，戶外電源，鋰電池，性能源汽車等都是雙向能源轉換等應用場景，那么開發者對實驗設備的功能需求也是提出更高的要求，目前主流的實驗電源，負載都是分開，而且都是單向的，一臺實驗電源 價格不低，價格低的性能差，電阻負載及更加，一臺1500W電子負載動則上萬，很多工程師，工廠的老化環境使用電阻棒，這樣就很多不便的點， 再者可選擇的就是雙向電源，雙向源載一體機，這玩意那就是非常方便了。源載一體故名思就是將電源和負載合二為一，既可以當作實驗電源使用，也可以當作負載使用，當然這里講的源載一體機并不是說將一個負載合電源做在一個箱子里面就叫源載一體機，而是臺源載一體機其實是雙向可調電源，當負載應用時，是將電能轉換后回饋到電網，實現高能效比，轉換效率通常是達到90%以上，還有這種源載機的電壓調節范圍，電流調節范圍是非常廣的，那么對于開發工程師簡直是做夢的想要的一臺機器把，反正本人是做夢都想要的，但是不看不知道一看嚇一跳，現在這種源再一體機的價格簡直是不要太貴，而且功率都做的很大，一臺15KW 的雙向可調電源要6W+,所以真心用不起，所以秉著理工技術難的原則就是，買不起就自己造的原則，就默默的埋下了這顆種子。

其實這種機器確實存在很大的技術難點，雖然我做過可調電源，正弦波逆變器，但是要把這兩玩意做成一個機器，那技術上就不是一回事，逆變器就不是簡單的逆變器，要能并網雙向，現在的儲能逆變器確實很火，都是雙向技術，但是想自己能玩轉還是有一定技術門檻的，自己不擅長軟件那就是很大的問題，再者要實現雙向DC的隔離，再要實現電壓電流的寬范圍調節，都不是簡單的事情。再者要實現友好的交互界面，不能就接一個電壓電流表頭把，那豈不是一個高大上的儀器看上去像一臺電焊機？不行，那一定要有液晶屏。確實一臺理想源載機要攻克的技術難點太多了，于是默默的放下了很長一段時間。

直到有一天 ，在某魚上看到雙向電源模塊，價格很便宜，是做電池化成淘汰下拉的，當時也是很好奇，這東西能好嗎，是不是做工很爛。 經過很長一段時間的思想斗爭于是決定買兩臺回來測試一下，先看看這玩意里面究竟怎么做的，性能好不好。買回來后測試確實驚訝到我了，內部做工真的非常的漂亮，做工和通訊電源一樣，器件用料扎實，排布工整，滿滿當當。當時是買的一個4000W，50V +84A-75A左右的參數，簡直不要太完美。這種模塊內部采用圖騰柱整流，輸出采用雙向LLC結構，所以輸出是不能調節的，美中不足啊，當做可調電源肯定是要電流，電壓都要從0開始調節的。帶大家看看拆機的照片：

我在想這個種電源做工品質絕對是OK，包括測試性能都是很好的，全新的價格據說是4000來塊，那么在這個基礎上增加一級雙向調壓，既可以實現可調電源的功能了，那也是可以的，既可以滿足需求也可以快速實現開發。那么想到BUCK-BOOT 4開關變換結構，這個拓撲能夠實現升降壓，雙向而且是寬范圍，但是想玩轉可不簡單，目前市面上有4開關專用的驅動芯片但是都不滿足我的需求，我的預期是要實現 降壓、升壓，正向，反向，全部的功能，因為該模塊輸出是50V ，如果只能實現降壓那么顯然是不夠的。但是這個四開關做做可靠可不是簡單的事情，因為本人對模擬電路有一定的經驗，純硬件正弦波逆變器曾經也是手搓過的，就在向這個4開關仔細像想一下應該也是可行的，在腦海里思考這個用純硬件驅動四開關的方案~~后來就一發不可收拾的堅持做研究探索純硬件的控制方案，需要實現升降壓，雙向調電流電壓，短路保護，單周期限流等功能，知道這種保護沒做好是直接炸機的。

初步設計的原理就是R1采集電感電流，做主電流控制，R4采集輸出電流，對終入輸出的電流進行精準的采集顯示。

經過一段時間的技術技術可行性的評估，初步制定技術路線制定源載機的參數：

輸入電壓：AC220V±20%

輸出電壓：0-140V

輸出電流：-100A到 +100A

輸出功率：4000Wmax

饋能功率：3600W；（受雙向AC/DC模塊限制）

功能描述：

1、 電源模式 ： 當作實驗電源使用，0-140V聯系可調，0-100A連續可調。負電流設置為0 ，不能調節，可設定最大輸出功率，超過設定功率，自動降低輸出電流,電壓

2、負載模式：可以0-140V范圍內，0-100A電流恒流調節，超出設定功率，自動降低電流，電阻模式（根據電流，電壓去計算電阻）

3、源載模式： 恒定設定電壓，當外部源電壓比設定電壓高的時候，電流流入源載機，回電網，外部源電壓低的情況，源載機對外輸出電流，如果超出設定電流，自動進入CC恒流模式，此模式真正的雙向調節。與電池特性一致，

4、電池測試：可編程對電池的充電截至電壓，放電截至電壓，充電電流，放電電流進行編程，記錄放電AH,WH 周期時長。可以設定電池測試循環測次數。

還要一個很好的人機交互界面。

花了一點時間把PCB都搞了一下：

功率板：

功能：主要是4開關的主功率板，板上集成輔助開關電源為整個控制系統，驅動提供電源，供電范圍是15-100V，

開關管采用的是HYG035N10，這個管子內阻非常低3.5mR/100V，速度很快，低壓大電流非常推薦，功率管采用3并，共12個，電流采樣采用的康銅電阻 2mR 4并，分為電感電流采集和輸出電流采集，兩路，均采用納芯微的NSI1200隔離光耦進行隔離，輸出電壓和輸出電壓采用的電阻差分采集， 驅動光耦采用那芯微的NSI6801,驅動能力很強， 電感使用的華為拆機電感，90A/35uH，抗飽和能力很強。

主功率部分只有這么多東西，電路部分并不復雜，成功與否在于細節。

控制板：

控制板：采用純硬件控制策略，一堆模擬電路和波形發生器組成，結合各種邏輯保護，和開關換向切換BOOST-BUCK 模式及雙向，這里不做過多贅述，現在很多方案都是MCU實現，我這個方案玩一下強化模擬電路的設計能力而使用的，這里這塊板MCU給一些基準信號，整個功率部分就能運行起來，基準信號使用電位器都能給。最開始調試就是沒有上MCU板的。

MCU控制板：

MCU板上采用一個STM32103的單片機，驅動3.5寸裸屏， 采用外部ADC ADS1118 差分采集輸出電壓，電流，保證電流電壓的精度。集成一個無線串口模塊可以連接上位機進行波形顯示。

最后看一下UI界面：花了一點時間手搓一個顯示界面，由于本人單片機水平有限，顯示這款總是卡頓不前，還在持續優化中

最后還有一塊板：雙向電子開關，該電子開關是防止輸出電壓比較高的情況下，短路輸出端子造成打火，或者負載端突然短路，還有輸出反接使用的，我們使用可調電壓夾子短路時挺嚇人，或者給電池充電的時候不小心接反可能都會把電源干掛，處于這些考慮我特意花了點時間設計下面這款電子開關，

該電子開關采用的8個150V MOS ，開通總內阻在1.5mR左右，使用時背面貼導熱導散熱器，保證大電流的流通。 設置4個TVS管方式尖峰擊穿MOS ，最核心的就是短路保護，這個短路保護的值是可以調節的，此板已經調試完成，效果非常好，我將把電路圖放出來，大家可以分析該電路的實現原理，有實際需求可以直接使用。

SW100A_Project_23.pdf

歡迎各大網友分析評論。

外盒我采用的型材鋁調，專門用作這種機箱的，側板采用的鍍鋅板，端板采用的是5MM，鋁板進行CNC加工，整體來看我認為還是不錯的。開始裝機測試

電子開關串聯到輸出正線，與控制板連接，單片機控制開關，如果發生短路保護會送保護信號給到單片機，是實測在127A短路保護，不管多少V電壓電流一致保持在120A附近保護，但是測試80A電流的時候，管子還是會很熱，有空還要改加散熱器的方式。

內部排布的是分兩側安裝，內測時ACDC雙向電源模塊，輸出84V ，給到4開關功率板

正面的效果，空氣開關是AC主電開關，紅色按鈕是電子開關的開關， 一個編碼器控制電源的設置，模仿中心2400的控制方式。使用起來我認為比1排按鍵還要靈活。