用于檢測電流的方法和裝置的制作方法

專利名稱：用于檢測電流的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及用于檢測電流的方法和裝置。具體地，本發明涉及在半橋式驅動器中，例如在開關放大器中用于檢測電流的方法和裝置。更具體地，本發明涉及在一個被切換的電流路徑中檢測電流的方法和裝置，其中電流在一個周期的第一部分期間的未知幅度與在該周期的第二部分期間的預定的固定幅度之間周期地切換。


圖1A顯示半橋式驅動器電路1，該電路1用于在一個由具有高電壓端2(VHIGH)和低電壓端3(VLOW)的直流電壓源VDC供電的負荷L中生成AC電流。半橋式驅動器電路1包括被安排在所述高電壓端2(VHIGH)和低電壓端3(VLOW)之間的兩個可控開關11和12的串聯裝置，其中第一開關11耦合在高電壓端2與節點A之間，以及其中第二開關12耦合在低電壓端3與這個節點A之間。在高電壓端2與所述節點A之間的電流路徑被表示為第一橋支路21；在低電壓端3與所述節點A之間的電流路徑被表示為第二橋支路22。在所述開關11，12之間的所述節點A經由電感4耦合到輸出端6。電容器7與負荷L并聯耦合。開關通常用MOSFET實施，如圖所示。
開關驅動器13具有輸出端14和15，分別與所述開關11，12的控制端耦合。在第一工作狀態(稱為高狀態)，開關驅動器13用來生成用于所述開關11和12的控制信號，以使得第一開關11是導通的(ON)，而同時第二開關12是非導通的(OFF)；在這種情形下，電流以從高電壓端2到輸出端6的方向流過電感4，造成輸出端6的電壓電平上升。在第二工作狀態(稱為低狀態)，開關驅動器13用來生成用于所述開關11和12的控制信號，以使得第一開關11是非導通的(OFF)，而同時第二開關12是導通的(ON)；在這種情形下，電流IL以相反的方向，即從輸出端6到低電壓端3的方向流過電感4，造成輸出端6的電壓電平下降。
開關驅動器13具有輸入端16以用于接收定時信號，該信號控制開關驅動器13使其在它的高狀態與它的低狀態之間交替。在電感4和開關11，12中最終產生的電流示于圖1B的曲線圖。
圖1B是顯示信號形狀的圖形。在線圈4中，生成三角形電流形狀I4，它在開關驅動器13的高狀態期間具有正的斜率，以及在開關驅動器13的低狀態期間具有負的斜率。最大電流幅度被表示為IMAX，最小電流幅度被表示為IMIN。這個電流可被看作為以虛線表示的、具有DC電流幅度IDC的DC電流以及正的幅度IMAX-IDC和負的幅度IMIN-IDC。
通過第一開關11的電流IH在開關驅動器13的高狀態期間具有與I4相同的幅度，但在開關驅動器13的低狀態期間是零。類似地，通過第二開關12的電流IL在開關驅動器13的低狀態期間具有與I4相同的幅度，但在開關驅動器13的高狀態期間是零。
像電路1那樣的電路被用于許多類型的應用，例如，用于氣體放電燈的驅動器、電動機驅動器、DA功率逆變器、開關放大器等等。本發明不限于這樣的應用之一，而是可被使用于任何的這些應用以及上面未提到的其他應用。
通常，例如為了控制的目的，希望具有一種代表電感4中的電流I4的測量信號。
為了測量這個電流，存在幾種可能性，但它們都有缺點。
在一個可能性中，把測量電阻安排成與電感4串聯；然而，這牽涉到增加損耗的缺點。為了測量小的電流值，這可能認為是可接受的，但在高電流的情形下，例如在50A的量級下，測量電阻中的損耗是不可接受的。而且，使用測量電阻帶來電絕緣的問題，它需要把測量信號的DC電平定位在測量的GND電平。
在另一個可能性中，可以使用帶有霍爾元件等的DC電流換能器；然而，這樣的裝置不夠快速。在第三種可能性中，可以使用AC電流換能器然而，這樣就無法得到關于電流的DC電平的信息。
在另一個方法中，線圈電流不是在節點A與輸出端6之間的公共線圈支路中被測量，而是一方面在高電壓端2與節點A之間和另一方面在低電壓端3與節點A之間的各個開關支路中測量。線圈電流可以根據這兩個測量的電流被重建，因為在考慮到電流方向的情況下，線圈電流是兩個開關電流的和值。
US-5,815,391公開了實施這個方法的電路。這個測量電路包括與各個相應的開關支路有關的兩個AC電流互感器(Currenttransformer)。兩個AC電流互感器的輸出相加在一起。開關電路被提供來確保在開關處在非導通狀態期間(關斷期間)，來自相應的AC電流互感器的輸出信號對總的測量輸出信號沒有作用。這個結果是通過斷開相應的AC電流互感器與測量電阻的連接(該出版物的圖5)而達到的。在另一個實施例中，使用兩個Rogowski通量線圈，它們的輸出電壓被積分和相加。在這個實施例中，所述結果是通過在關斷期間使相應的積分器的輸出等于零(該出版物的圖6)而達到的。
這種檢測電路僅僅能夠測量線圈電流的DC電平，如果積分器在正確的時刻被復位的話。Rogowski通量線圈典型地是笨重、昂貴的，以及具有相當有限的頻率范圍。
而且，在由該出版物公開的實施例中，磁化電流被在一對箝位齊納二極管上形成的回掃電壓驅動到零。這將在實際的實施方案中引入誤差。首先，因為AC電流互感器的電感將與次級繞組的寄生電容諧振，所以磁化電流將不會驅動到零，而將保持正弦形狀電流成份。第二，齊納二極管也將呈現一定的泄漏電流，這將引起非線性。
本發明的總的目的是克服所述缺點。
具體地，本發明的目的是提供能夠提供代表線圈電流，即，線圈電流的AC部分和DC部分的實際數值的測量信號的測量電路和方法。
另外，本發明的目的是提供能夠精確地檢測在切換的電流路徑中的電流的測量電路和方法，其中電流在一個周期的第一部分期間的未知幅度與在該周期的第二部分期間的預定的固定幅度與之間周期地切換。
按照本發明的一個重要方面，偏置信號被附加到測量的輸出信號，該偏置信號是這樣選擇的使得在開關關斷狀態期間，相應的測量信號等于零。然后，在這樣的開關的接通狀態期間施加上相同的偏置，這樣，該相應的測量信號精確地反映實際的電流。
通過參照附圖的本發明以下的說明進一步說明本發明的這些和其它方面、特性和優點，圖上相同的標號表示相同的或類似的部分，其中圖1A是示意地顯示半橋式驅動器的框圖；圖1B是示意地顯示在圖1A的板橋式驅動器中各個位置處的信號形狀的曲線圖；圖2是示意地顯示按照本發明的電流檢測電路的框圖。
圖2是示意地顯示按照本發明的、包括第一開關電流測量電路100的電流檢測電路50的框圖。第一開關電流測量電路100包括電流檢測級110和偏置級150。
電流檢測級110包括電流檢測器120，在本實施例中是AC電流互感器120，它具有與第一開關11串聯耦合的初級繞組121，和具有與測量電阻123并聯耦合的次級繞組122，測量電阻123具有連接到參考電壓電平(在本例中是地電平)的一個端子。在測量電阻123的另一個端子上(表示為點X)，提供互感器輸出電壓信號，這被表示為中間測量電壓信號VHM，它具有與通過第一開關11的電流IH相同的形狀，但具有相應于電流IH的平均電流幅度IAVH的直流電平VDCH。通常，通過第一開關11的電流IH的平均電流幅度IAVH可以低于或高于線圈4中電流I4的DC電平。
任選地，電流檢測級110可以包括緩沖電路130，如圖所示。
應當指出，中間測量信號(VHM)相應于所述電流(IH)的AC部分，不過，取決于電流檢測器的實施例，中間測量信號(VHM)可包括DC部分，它或者由所述電流(IH)造成，或者作為偏置由檢測器本身造成。
中間測量電壓信號VHM被耦合到偏置級150的加法器160的第一輸入端161，該偏置級150包括偏置發生器170，該發生器170具有耦合到加法器160的第二輸入端162的輸出端172。加法器160具有提供和值信號S1的輸出端163。偏置發生器170具有時序輸入端171，用于接收表示第一開關11的關斷狀態的信號，即，開關驅動器13的低狀態。在所顯示的實施例中，偏置發生器170的時序輸入端171耦合到開關驅動器13的第一輸出端14。偏置發生器170還具有反饋輸入端173，耦合到加法器160的輸出端163。
偏置發生器170被設計成在第一開關11的關斷狀態期間在它的輸出端172產生輔助信號或偏置信號VOFF，H，以使得在加法器160的輸出端163處(即被表示為點Z處)的輸出電壓等于零，相應于在這個關斷狀態期間流過第一開關11的電流IH等于零。
偏置發生器170還被設計成在第一開關11的接通狀態期間在它的輸出端172產生與以前的關斷狀態期間所確定的相同的偏置信號VOFF，H。結果，加法器輸出信號S1的形狀是第一開關11中的電流IH的精確的代表。
在示例性實施例中，偏置發生器170可包括一個控制環，用于與在第一開關11的接通狀態期間保持其偏置電壓VOFF，H的采樣保持電路相組合而在第一開關11的關斷狀態期間調節偏置信號VOFF，H，正如本領域技術人員所明白的。
任選地，偏置級150可包括緩沖器電路180，如圖所示。
應當指出，對于某些應用，具有精確地反映僅僅在一個開關上的電流的測量信號就已足夠。所以，在本發明的實施例中要考慮的是開關電流測量電路100。
圖2的電流檢測電路50用來提供精確地反映線圈4中的電流的測量信號。所以，按照本發明，電流檢測電路50包括第二開關電流測量電路200，它優選地具有與第一開關電流測量電路100相同的設計。在圖2上，第二開關電流測量電路200的元件用與第一開關電流測量電路100的相應元件的相同標號增加100來表示。
第二開關電流測量電路200的AC電流互感器220的初級繞組221與第二開關12串聯耦合，以及第二偏置發生器270的時序輸入端271耦合到開關驅動器13的第二輸出端15。第二開關電流測量電路200的操作類似于第一開關電流測量電路100的操作，已作必要的變動，所以不必要重復說明它的操作。在它的輸出端，第二開關電流測量電路200提供精確地反映在第二開關12中的電流IL的測量信號S2。
電流檢測電路50還包括加法器300，具有輸入端301和302，分別耦合到第一和第二開關電流測量電路100和200的輸出端，以及具有輸出端303，提供由第一和第二開關電流測量電路100和200提供的測量信號的和值的輸出信號S3；這個輸出信號S3精確地反映線圈4中的電流。
本領域技術人員應當看到，本發明不限于以上討論的示例性實施例，而在所附權利要求中規定的本發明的保護范圍內的幾個變例和修正方案是可能的。
例如，代替基于電壓信號的實施方案，也有可能構建基于電流信號的實施方案。
而且，表示相應的開關的ON/OFF狀態的時序信號可以從并非開關驅動器輸出端14和15的其它源得到。
本發明不限于圖2的半橋式實施方案；構成本發明的基礎的原理也是可應用在全橋式實施方案的情形。
以上，本發明是參照具有兩個串聯連接的開關、允許電流改變方向的實施例描述的。然而，本發明不限于這樣的實施方案；構成本發明的基礎的原理在實施方案的情形下也是可應用的，其中開關之一(例如12)用二極管代替，這對本領域技術人員是很清楚的。
以上，本發明是參照包括AC電流互感器的電流檢測級描述的。替代地，可以使用其它類型的電流檢測器，例如磁阻檢測器或霍爾檢測器。這樣的檢測器能夠測量DC電流，但具有相對較大的固有的偏置；這特別適用于磁阻檢測器。這樣的固有的偏置也可通過本發明提出的方法預以校正。
以上，本發明是參照說明按照本發明的裝置的功能塊的框圖描述的。應當看到，可以用硬件來實施一個或多個這些功能塊，其中這樣的功能塊的功能由單獨的硬件部件來執行，但也有可能用軟件來實施一個或多個這些功能塊，使得這樣的功能塊的功能由計算機程序的一個或多個程序行或諸如微處理器、微控制器等等可編程裝置來執行。
具體地，在點X處，信號可以由AD轉換器變成數字的，以及所有的進一步處理可以以軟件來完成。
權利要求
1.用于測量周期地接通和關斷的開關電流(IH)和提供精確地反映所述電流(IH)的測量信號(S1)的方法，該方法包括以下步驟-用電流檢測器(120)檢測所述開關電流(IH)，以得到相應于所述電流(IH)中的AC部分的中間測量信號(VHM)；-接收表示開關電流(IH)的接通和關斷時期的時序信號；-在關斷期間，生成一個這樣的輔助信號(VOFF，H)，使得所述中間測量信號和所述輔助信號的和值等于零；-在接通期間，把所述中間測量信號和所述輔助信號相加，以及提供和值信號作為輸出測量信號(S1)。
2.按照權利要求1的方法，其中時序信號是開關控制信號。
3.用于測量開關式橋電流(I4)和用于提供精確地反映所述電流(I4)的測量信號(S3)的方法，所述開關式橋電流(I4)在橋(1)中的第一電流源和第二電流源之間周期地切換，該電橋(1)包括提供相應于第一電流源的第一開關電流(IH)的第一支路(21)和提供相應于第二電流源的第二開關電流(IL)的第二支路(22)，該方法包括以下步驟-通過使用按照權利要求1的方法，提供反映第一開關電流(IH)的第一測量信號(S1)；-通過使用按照權利要求1的方法，提供反映第二開關電流(IL)的第二測量信號(S2)；-將第一和第二測量信號相加。
4.用于測量在開關(11)中的電流(IH)和提供精確地反映所述電流(IH)的測量信號(S1)的開關電流測量電路(100)，該電路包括電流檢測級(110)，用于提供相應于所述電流(IH)的AC部分的中間測量信號(VHM)，和偏置級(150)，用于把一個偏置(VOFF，H)加到中間測量信號(VHM)。
5.按照權利要求4的開關電流測量電路，其中電流檢測級(110)包括AC電流互感器(120)，該互感器(120)具有初級繞組(121)，用于檢測要測量的電流(IH)，和具有次級繞組(122)，用于提供中間的測量信號(VHM)。
6.按照權利要求5的開關電流測量電路，還包括一個測量電阻(123)，它與電流互感器次級繞組(122)并聯耦合。
7.按照權利要求4的開關電流測量電路，其中偏置級(150)包括加法器(160)，該加法器(160)具有第一輸入端(161)，被耦合來接收由電流檢測級(110)提供的中間測量信號，以及具有第二輸入端(162)，被耦合到一個偏置發生器(170)的輸出端，并具有一個輸出端(163)，用于提供輸出測量信號(S1)。
8.按照權利要求7的開關電流測量電路，其中偏置發生器(170)具有時序輸入端(171)，用于接收表示電流關斷時期的信號，以及其中偏置發生器(170)還具有反饋輸入端(173)，它被耦合到加法器(160)的輸出端(163)。
9.按照權利要求8的開關電流測量電路，其中偏置發生器(170)的時序輸入端(171)被耦合到第一開關(11)的控制輸入端。
10.按照權利要求7的開關電流測量電路，其中偏置發生器(170)在電流(IH)的關斷期間被設計成生成輔助信號(VOFF，H)，以使得所述中間測量信號(VHM)和所述輔助信號(VOFF，H)的和值等于零；其中偏置發生器(170)在接通期間被設計成將所述中間測量信號(VHM)和所述輔助信號(VOFF，H)相加，并提供該和值信號(S1)作為輸出測量信號。
11.用于測量開關式橋電流(I4)和用于提供精確地反映所述電流(I4)的測量信號(S3)的電流檢測電路(50)，所述開關式橋電流(I4)在橋(1)中在第一電流源和第二電流源之間周期地切換，該橋(1)包括提供相應于第一電流方向的第一開關電流(IH)的第一支路(21)和提供相應于第二電流方向的第二開關電流(IL)的第二支路(22)；該電路(50)包括-與所述第一支路(21)相關聯的、按照權利要求4的第一開關電流測量電路(100)；-與所述第二支路(22)相關聯的、按照權利要求4的第二開關電流測量電路(200)；-加法器(300)，用于相加第一和第二開關電流測量電路的輸出信號(S1，S2)。
12.逆變器電路，包括按照權利要求11的電流檢測電路。
13.變換器電路，包括按照權利要求11的電流檢測電路。
14.脈沖寬度調制電路，包括按照權利要求11的電流檢測電路。
全文摘要
用于測量周期地接通和關斷的開關電流(I
文檔編號H02M7/538GK1816964SQ200480019314
公開日2006年8月9日 申請日期2004年7月2日 優先權日2003年7月8日
發明者R·范德瓦, A·J·J·維納 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司