10KW电子负载

一、设计摘要

原则上很简单：通过并联连接二进制值电阻的不同组合，并假设输入电压恒定，我们可以在仅打开最小电阻器和所有电阻器之间消耗任意量的电流。实现这一点变得更加复杂。

对于我的电源测试应用，我的目标是以下规格：

• 标称 12.2V 负载输入（可接受 3.3V-14.6V）
• 750A （9,150W） 连续一小时
• 1300A （15,860W） 持续 10 秒
• 2700A （32,940W） 用于 100us 脉冲（100us 开启，200us 关闭，33.3kHz 时占空比为 3%）

为满足这些规格，选择以下电阻值：

我最初计划主要使用1000W 0.25R电阻器来制造大部分连续负载，但是它们在设计过程中价格翻了一番，因此不再具有成本效益。不过，您仍然可以在CAD照片中看到它们。

系统概述

该系统由四个主要部分组成：

• 负载级 - 单个负载电阻器及其相关的开关和监控电路捆绑在一个单元中
• 连接器 PCB - 任何正在测试的电源（我称之为 DUT - 被测设备）都连接到连接器 PCB，从这里电缆连接到每个负载级以分配电源。
• 控制PCB - 操作的大脑。从用户那里获取输入，并实现负载阶段的正确组合以产生所需的负载。监控每个负载级的温度和电流，为示波器产生模拟输出电流信号等等。
• 机械底盘 - 容纳所有负载级和其他板，提供用于气流的风扇支架，并设计为备份到窗户，以便所有热量都可以倾倒在外面。

负载阶段

每个电阻器将连接到其自己的PCB上，以创建我所说的负载级。负载级将全部并联到系统输入。负载阶段是独立的，并提供以下功能：

• MOSFET，使负载级能够消耗功率。
• 逻辑电平输入栅极驱动器
  • 隔离以防止接地回路
  • 使用分立元件降低成本
• “升压转储”电路，用于在关断时从感性尖峰捕获能量，并将其缓慢耗散。
  • 当反复切换122A时，系统内部电缆电感中存储的能量很大。估计从 DUT 进入系统，然后进入负载级的总电流为 300nH，即每次关断时为 2.23mJ，或 7.37kHz 时为 3.3W。当您考虑到负载电阻的电感可能在 5uH 左右时，情况会变得更糟。在仿真中，在最坏情况下切换时，该升压突降电路的功耗必须高达30W。
• 电流测量
• 热电偶输入和放大器
  • 用于测量负载电阻的温度以防止过热，并潜在地补偿其电阻的温度系数。
  • 我实际上使用INA180电流检测放大器作为热电偶放大器。有什么更便宜的方法可以获得具有极低输入失调电压的200倍增益差动放大器？
  • 我还通过点焊热电偶丝和廉价的锂离子电池点焊机自己制作热电偶线，用于电池组镍带焊接。
• 热电偶冷端补偿热敏电阻

由于每个负载级都是完全独立的，因此系统可以轻松地缩小到1个负载级（尽管您只能以这种方式获得一点负载分辨率：关闭和打开），一直到达到53kW连续/ 10kW脉冲的总体规格所需的30+负载级。第一个原型设计用于 8 个负载阶段。然后，一旦我验证设计是合理的，我就可以扩大已知良好设计的数量。需要更大的连续负载？只需添加0.5R级！需要更多脉冲负载？只需添加0.1R级！

连接器印刷电路板

连接器PCB可能是系统中最简单的电路板，没有有源元件：只有许多连接器和宽铜平面来连接它们。DUT 连接到任何前连接器，然后使用后连接器为所有负载级分配电源。每个负载阶段都直接连接到此。不过，该板确实突出了整个系统的一个重要原则：保持所有电气短而宽。随着所有必须支持的电流量， 所有 PCB 都需要主要是尽可能宽和尽可能短的铜平面.甚至连接到负载级的电缆也这样做。它们是许多并联的电线，当涉及到电缆电感时，这实际上比较少的粗线要好，如果高频开关期间不加以管理，可能会破坏负载级FET。该板还向控制PCB提供电压检测信号，可选择具有四线检测。

控制电路板

控制PCB可能是设计中最复杂的部分.它必须与用户接口，控制所有负载阶段，并监控系统的运行等。

特征：

• STM32微控制器
• 精密基准电压源
• 超低失调电压运算放大器
• 对每个负载级的电流检测信号进行模拟求和，在缩放其绝对电流值后。所有这些都旨在将误差保持在 1% 以下。
• 具有可变输出增益的示波器的模拟电流波形输出。
• PWM 风扇控制 - 支持带有 PWM 引脚的风扇或需要直接调制电源轨的风扇
• 完全隔离，防止接地回路
• 12V、5V、3.3V电源轨，具有额外的滤波功能，包括-0.2V电源轨，允许运算放大器摆幅至0V。
• 用于 PC 数据传输的隔离 USB
• 输入反向电压检测和报警
• TFT LCD、旋转编码器和用户界面按钮
• 很多很多测试点
• 对来自每个负载级的热电偶、热敏电阻和电流检测信号进行多路复用和滤波
• 用于四线远端电压检测的差分放大器
• DIP开关用于在模拟求和之前配置负载级电流检测增益设置
• 屏蔽 RJ45 连接器和电缆，用于控制和检测连接到每个负载级
• 用于驱动使能信号以加载载物台和相关LED的缓冲器

机械底盘

为清楚起见，此处仅显示第一级。空白加载阶段 PCB，用于在组装过程中保持间距.

底盘设计为像其他所有东西一样扩展，由用螺栓固定在一起的多个级别组成。每层支持13个负载级和三个120mm风扇。负载阶段通过使用 PCB 中的钩子安装，这些钩子插入金属板横梁。横梁还充当电缆导管，最终将包括3D打印的插入夹，以保护电缆并将负载级保留在其插槽中。

为什么选择电阻器？

鉴于机箱安装电阻器是系统的核心。有人可能会问：你到底为什么会选择那个？以下是一些设计注意事项：

• 每瓦散热成本低
  • 一个300W线绕电阻器的成本约为23美元。我不认为有一种更便宜、更现实的方法来燃烧和耗散电力。
  • 基本上取代了对MOSFET作为负载和散热器的需求，以保持其冷却。
  • 如果我需要其中的 34 个才能达到 10kW，那就是 782 美元，与任何其他选择相比都很便宜。使用传统的MOSFET和散热器的成本将超过其两倍。
• 可在较高温度下运行，以便更有效地将热量传递到强制气流
  • 通过在更高的温度（额定温度高达250C）下运行它们，可以在相同体积的气流下传递更多的热量。这意味着可以使用更少或更慢的风扇。
• 额定可承受 5 倍于额定功率的过载，持续 10 秒
  • 300W 0.1R 电阻可用于产生 1500W 负载脉冲，只要长期平均功率保持在或低于其标称 300W 即可处理。
  • 

关于MOSFET和散热器成本的数学

如今，大多数电子负载使用由运算放大器驱动的线性操作MOSFET来吸收一定量的电流。MOSFET是负载，然后必须将所有能量耗散到散热器中。考虑到我正在处理的规模，我想到了两个问题：MOSFET数量和散热器容量。仅从 10kW 的连续负载规格开始，我们需要多少个 MOSFET？

看看一些商业单位，我们看到的是：

锐戈尔 DL3021 - 10x IRFP250N @ 200W/40A

Siglent SDL1020X-E - 12x IRFP250N @ 200W/30A

昆金KP184 - 6x IRFP250M @ 400W

BK 精密 8601 - 10x IRFP250N @ 250W

东部测试仪 ET5410 - 6x IRFP250N @ 400W

有趣的是，几乎每个人都使用相同的MOSFET类型。他们以 17W-67W 的范围内加载它们。每个 67W 都是有意义的，因为IRFP250N数据手册指示 0.7 C/W 结到外壳 + 0.24 C/W 外壳到散热器热阻 = 0.94C/W * 67W = 63C 温升。假设散热器温度为50C，MOSFET的温度为113C，尽管数据手册的最高温度为175C，但这是相当不错的。每个 67W 时，我们需要其中的 150 个才能达到 10kW。在LCSC上，这些MOSFET在这个数量上每个为0.48美元，因此FET的总价格为72美元并不是完全疯狂的。

网上有很多关于并非所有MOSFET都可靠地在线性范围内工作的信息，而且制造商实际上几乎没有对MOSFET进行连续工作的额定值。IXYS制造了一些，它们的结到散热器热阻较低，为0.56 C / W，因此我们可能能够以相同的温度推动113W，但它们要贵得多。我们需要其中的89个，每个数量为8.17美元，因此我们正在考虑MOSFET的727.13美元。哎哟。

然而，场效应管的成本还有一个更大的问题：散热器。一个人究竟是如何吸收 10kW 的热量的？成排有很多大型铝制散热器？用散热器水冷？这甚至要花多少钱？这一切都归结为美元/瓦的散热器。

鉴于这个项目的全部意义在于保持低成本，我认为我们有两种选择：

• 挤压铝散热器，如在商业电子负载中很常见
  • 看看Digikey的这个散热器，我们可以得到一些实际的规格，它的尺寸为40x93x300mm，有28个翅片，额定值低至0.4C / W，气流为400 LFPM，每英寸挤出。理论上，整个300mm散热器可能会达到0.034 C/W。如果我们想在50C的环境中将散热器限制在25C，因此MOSFET坚持我们之前计算的113C结，我们可以为每个散热器耗散735W。那似乎...高？
  • （正是在撰写本文的这一点上，我意识到也许我不应该放弃使用FET和散热器的想法。
  • 通过此计算器运行同一散热器的尺寸，我们得到0.13C / W或192W。这似乎更理智。
  • 如果我们使用全球速卖通的这款 39x69x300 毫米散热器，每个 24.30 美元，以及上述计算器，我们可以消耗 147W。这给了我们 0.165 美元/瓦的成本。对于 10kW，我们需要 68 个这样的散热器，总成本为 1652 美元。
  • 由于成本原因，我将排除这一点。
• CPU散热器+风扇冷却器，价格便宜，随时可用，专为下沉高热密度源而设计
  • 让我们乐观一点，假设我们可以以 150 美元的价格获得能够冷却 10W 的 CPU 散热器。这是 0.067 美元/瓦或 670 个散热器的 67 美元。这实际上很便宜，可能不切实际的便宜？
  • 我们如何以有意义的方式安装 67 个 CPU 散热器？带有MOSFET的PCB会在哪里？
  • 我认为没有任何方法可以做到这一点，除非它是巨大的和不切实际的。
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