CN101622777A - 电能转换器中的负载电流检测 - Google Patents

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Abstract

谐振转换器包括用于在可控频率下提供脉冲来对变压器(4)的初级电路(3，12)进行供电的切换电路(1)。变压器(4)的次级线圈(5a、5b)对经过整流的交流信号进行传输，随后产生负载电流。在初级侧，转换器具有：用于导出表示所述初级电路(3，12)中的电流的第一电信号的电阻器(13)，以及靠近地耦接至次级线圈(5a、5b)的辅助线圈(14)，由于靠近地耦接至次级线圈(5a、5b)的原因，因此在所述辅助线圈两端感应出了一个辅助电压。电阻器/电容器组合(16，17)针对时间对辅助电压进行积分，从而得到第二电信号。计算电路(19)对第一信号和第二信号进行组合以便从第一信号中有效地减去第二信号而导出差信号，差信号表示反映到所述变压器(4)的初级侧上的负载电流，从而表示了实际的负载电流。

Description

电能转换器中的负载电流检测
技术领域
本发明涉及电能转换器中的负载电流检测，尤其是谐振转换器中的负载电流检测。
背景技术
在已知的频率控制的谐振转换器中，切换电路通过谐振电路来对变压器的初级线圈进行供电。变压器的次级线圈通常在整流之后对负载电流进行输送。通过增大切换频率以便降低或限制负载电流至一个安全值，这样就能限定一个最大负载电流。该***要求在变压器的次级侧具有额外的电路。当转换器被启动时，切换频率以较高值开始，随后慢慢地降低，从而防止在启动期间流出较大负载电流。期望的是，启动时间越短越好。本发明旨在提供一种电能转换器，尤其是谐振转换器，其使得能在变压器的初级侧检测负载电流，从而避免需要在次级侧具备额外电路，并且降低启动时间。
发明内容
本发明涉及一种电能转换器，其包括具有初级电路和次级电路的变压器，所述初级电路被交流信号激励以便在用于传输负载电流的次级电路中感应出次级交流信号，其中所述转换器具有用于对表示负载电流的电信号进行传输的检测电路。根据本发明，检测电路包括：用于对表示所述初级电路中的电流的第一电信号进行传输的电路元件，用于对表示流经所述变压器的磁化电流的第二电信号进行传输的辅助电路，以及用于对第一信号和第二信号进行组合以便从第一信号中有效地减去第二信号而导出差信号的计算电路，所述差信号表示反映到所述变压器的初级侧上的负载电流，从而所述差信号表示了实际的负载电流。
可以按照任何方便的方式执行第一信号和第二信号的检测、以及计算电路中的计算。例如，如果第一信号和第二信号分别表示为+A和+B，那么正向相减(沿正轴)将得到差信号A-B。可替换地，如果以负向相减(沿负轴)，差信号将为-A+B。另外，如果信号B被检测出具有相反的极性，即-B，那么计算电路将对两个信号进行相加或求和。在所有情况下，重要的是，差信号表示了负载电流。
因此，计算电路或者从第一信号中减去第二信号，或者将第一信号与具有相反极性值的第二信号相加。
可通过对差信号进行适当的处理来获取负载电流的实际值或者绝对值，优选的处理是整流或者获取差信号的模。这样，可以在转换器的初级侧获取负载电流随着时间的变化，从而提供对过量的负载电流的可靠检测。并且，在初级侧差信号和表示负载电流的绝对值的信号的幅值通常远低于次级侧上的负载电流的绝对值，从而使得更容易在初级侧进行电流测量，并且产生较低功率耗散。
在将要描述的优选实施例中，功率转换器为谐振转换器，其包括用于将直流输入转换成交流信号的第一转换器电路，并且包括用于将次级交流信号转换成直流输出电压以传递负载电流的第二转换器电路。
所述电路元件优选地是与所述变压器的初级电路串联的电阻器，并且所述辅助电路优选地由靠近地耦接至次级电路的次级线圈的辅助线圈表示，由于靠近地耦接至次级线圈的原因而在所述辅助线圈两端感应出了一个辅助电压，所述辅助电路还包括用于针对时间对所述辅助电压进行积分以导出第二电信号的积分电路。积分电路优选地包括电阻器/电容器组合，但是还可以使用电感器作为积分器，或者使用电阻器/电容器组合的运算放大器。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于导出电信号的方法，所述电信号表示电能转换器所产生的负载电流，所述电能转换器包括具有初级电路和次级电路的变压器，所述方法包括：导出表示所述初级电路中的电流的第一电信号，导出表示流经所述变压器的磁化电流的第二电信号，以及对第一信号和第二信号进行组合以导出差信号，所述差信号表示反映到所述变压器的初级侧上的负载电流，从而所述差信号表示了实际的负载电流。
优选地，所述差信号表示负载电流作为时间的函数的变化，从而能够通过参考转换器的初级侧上的差信号来实现对负载电流的监视和控制。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述形成本发明优选实施例的五个谐振转换器，附图中：
图1至图5分别为五个转换器的电路框图。
具体实施方式
参见图1，第一谐振转换器包括第一转换器电路1，用于将直流输入2(标记为Vsupply)转换成交流信号，该交流信号对变压器4的初级线圈3进行激励(energise)。第二转换器电路将在变压器4的分节次级线圈5a、5b上感应出的次级交流信号整流为直流输出电压8(标记为Vout)，以便输送负载电流，第二转换器电路包括两个二极管6和7。
第一转换器电路1以受控频率产生交替序列形式的矩形轮廓的脉冲Gh和Gl。脉冲被馈给由电容器9、串联的泄漏电感器10和磁化电感器12组成的谐振电路，磁化电感器12负载了磁化电流。变压器4被表示为匝数比为N∶1∶1的理想变压器，其中匝数比为初级线圈3的匝数、分节次级线圈的一半5a的匝数、以及分节次级线圈的另一半5b的匝数的比值。初级线圈3和磁化电感器12被示出为并联的，这一并联布置负载了初级电流，并且这一并联布置与电感器10及电容器9串联。
根据本发明，谐振转换器具有检测电路，该检测电路包括：与并联网络3和12所形成的初级电路串联的电阻器13、以及靠近地耦接至变压器4的次级线圈5a、5b的辅助线圈14。电阻器13两端的电压正比于初级电路中的电流，由此电抽头15上的电压正比于初级电路中的电流。积分电路按时间对辅助线圈14两端的电压进行积分，从而连接18上的电压表示了流经变压器的磁化电流，积分电路包括电阻器16和电容器17。各个连接15和18上的两个电压被馈给计算电路19，计算电路19将连接15上的电压减去连接18上的电压，从而得到输送给连接20的差信号，该差信号表示在变压器4的初级侧上反映出来的负载电流。因此，连接20上的信号仿真了负载电流，该信号随着负载电流的变化而随时间变化。利用以受控频率产生一连串的脉冲Gh和Gl的切换电路1的定时，经由连接24，通过同步整流(以23指示)，在输出22上产生负载电流的实际值或者绝对值。
在图2和图3的实施例中，与图1的部分相对应的部分具有相同的参考标号。
参见图2，来自计算电路19的输出20上的差信号被馈入绝对值检测器25，绝对值检测器25导出来自计算电路19的信号的模(modulus)，从而在输出26上提供负载电流的绝对值。
图3是第三实施例的部分电路框图，省略了电路1右边的组件以及辅助线圈14，但是它们与图1和图2的相应组件是等同。
图3的实施例具有补偿电路，补偿电路对电感器12中的直流电流分量进行补偿，在占空比周期不是50％的情况下，或者如果变压器的初级线圈和次级线圈之间具有稍微的不对称，则进行补偿。辅助线圈14上的积分电压不能补偿该直流电流分量。相反，补偿电路采用差分放大器27，从而在负载电流为0或者接近为0的时间窗口(Twindows)期间，基于连接28上的初级电流与连接29上的仿真磁化电流之间的差来产生误差信号(Verror)。在该时间间隔期间，仿真初级电流和仿真磁化电流之间的差应该为0。在乘法器30中以系数K1对来自差分放大器27的输出的任何误差信号进行缩放，从而产生一个偏移信号(Voffset)，该偏移信号被反馈给偏移补偿源32，偏移补偿源32对表示初级线圈电流的信号进行调整以便对电感器12中的直流电流分量进行补偿。可替换地，偏移补偿源可对表示磁化电流的信号进行调整。来自计算电路19的差信号被整流器33整流，从而在输出34提供负载电流的绝对值。根据图1和图2，可由绝对值检测器或同步整流器来提供整流器功能。
在另一实施例(未示出)中，在负载电流接近为0的时间间隔期间，对仿真了磁化电流的信号按一系数进行缩放，该系数可通过测量实际初级电流和仿真负载电流之间的差来自适应地确定。在这种情况下，仿真负载电流和初级电流应该相等。这使得缩放系数被设置。对仿真了磁化电流的信号按一系数进行缩放，通过测量初级电流和仿真磁化电流，并且产生根据这两个信号导出的误差信号、或者根据这两个信号并结合切换电路1的定时信号而导出的误差信号、或者根据这两个信号并结合次级二极管的导通次数而导出的误差信号、或者根据这些因素的组合而产生的误差信号，可自适应地确定该系数。
图4的实施例是图2的实施例的改型，相对应的部分具有相同的参考标号。相对于图2的线圈14，图4中的辅助线圈14’以相反的感应方式进行连接，从而线圈14’两端的电压的极性与图2的线圈14两端的电压的极性相反。在(通过电阻器16和电容器17)对线圈14’上的电压进行积分之后，连接18上的电压的幅度表示了流经变压器的磁化电流，但是该电压具有相反的极性。计算电路19’将连接18上的电压加至连接15上的电压，从而得到在连接20上传输的差信号，该差信号表示了反映到变压器4的初级侧的负载电流。
图5的实施例图3的实施例的改型，相应的部分具有相同的参考标号。与图4一样，图5的辅助线圈14’以相反的感应方式进行连接，从而图5的线圈14’两端的电压的极性与图3的线圈14两端的电压的极性相反。由此，图5的计算电路19’对其输入上的信号进行相加或求和，从而得到输出20上的差信号，该差信号随后被绝对值检测器25处理以便在输出34上提供负载电流的绝对值。由于通过使用虚拟接地而在计算电路19’中执行加法，可以使用交流耦合，这就产生了放大器本身的偏移电压变得不重要的优势。
对仿真了磁化电流的信号按一系数进行缩放，通过测量初级电流和仿真磁化电流，并且产生根据这两个信号导出的误差信号、或者根据这两个信号并结合切换电路1的定时信号而导出的误差信号、或者根据这两个信号并结合次级二极管的导通次数而导出的误差信号、或者根据这些因素的组合而产生的误差信号，可确定该系数。
谐振转换器的每个实施例均在初级侧获取一个表示了负载电流的时变信号，从而在启动期间以及正常操作期间，切换电路1的频率都可被控制来限制负载电流。并且，可测量转换器的输出功率，并且可以确定次级二极管的计算间隔的定时。
作为使用电阻器13作为电流传感器的替换方式，可在Vsupply和接地之间对电容器9进行分割(split)，并且将电容器9放置在电感器12的另一侧，随后电流感应电阻器被放置成与接地的电容器进行串联。而且，具有串联的电流感应电阻器的较小第三电容器可被加入分割节点。
不同于使用具有分节线圈5a和5b的变压器，可采用具有桥整流器的次级线圈。并且，可利用有源开关来取代二极管6、7或桥整流器。
通过阅读本公开文本，其它变型和改型对于本领域技术人员来说是显而易见的。这些变型和改型可能包括等同特征或者本领域已知的其它特征，并且这些特征可作为在此已经描述过的特征的替换或者作为添加。
虽然权利要求在本申请中对特征的特定组合进行了明确叙述，但是应该理解的是，本发明的公开范围还包括此处以明示或者暗示的方式而公开的所有新颖特征或特征的新颖组合、或者它们的概括，而不管其是否与当前在权利要求中要求保护的同一发明相关，也不管其是否解决了与本发明的技术问题相同的一些技术问题或所有技术问题。
分开的实施例的上下文中描述的特征也可结合在单个实施例中。相反，简要起见而在单个实施例中描述的各种特征也可分成任何适合的下级组合。申请人在此提醒，在本申请的诉讼期间或者从本申请派生的其它申请的诉讼期间，可将新权利要求明确成这些特征和/或这些特征的组合。

Claims (13)

1.一种电能转换器，其包括具有初级电路(3，12)和次级电路的变压器(4)，所述初级电路被交流信号激励以便在用于传输负载电流的次级电路中感应出次级交流信号，其中所述转换器具有用于导出表示负载电流的电信号的检测电路，其中所述检测电路包括：用于导出表示所述初级电路(3，12)中的电流的第一电信号的电路元件(13)、用于导出表示流经所述变压器(4)的磁化电流的第二电信号的辅助电路(14，16，17)、以及用于对第一电信号和第二电信号进行组合以便从第一电信号中有效地减去第二电信号从而导出差信号的计算电路(19)，所述差信号表示反映到所述变压器(4)的初级侧上的负载电流，从而所述差信号表示了实际的负载电流。
2.如权利要求1所述的转换器，其中所述计算电路被布置成从第一电信号中减去第二电信号、或者将第一电信号和具有相反极性的第二电信号的值相加。
3.如权利要求1或2所述的转换器，其中所述转换器包括第一转换器电路(1)，用于将直流输入(12)转换成交流信号以激励所述初级电路(3，12)。
4.如权利要求3所述的转换器，其中所述转换器还包括第二转换器电路(6，7)，用于将次级交流信号转换成直流输出电压以便传输负载电流。
5.如任一前述权利要求所述的转换器，其中所述电路元件(13)是与所述变压器(4)的初级电路(3，12)串联的电阻器。
6.如任一前述权利要求所述的转换器，其中所述辅助电路包括靠近地耦接至次级电路的次级线圈(5a、5b)的辅助线圈(14)，由于靠近地耦接至次级线圈(5a、5b)的原因而在所述辅助线圈两端感应出了一个辅助电压，所述辅助电路还包括用于针对时间对所述辅助电压进行积分以导出第二电信号的积分电路(16，17)。
7.如权利要求6所述的转换器，其中所述积分电路(16，17)包括电阻器/电容器组合。
8.如权利要求1至7之一所述的转换器，包括用于对差信号进行整流以导出表示实际负载电流的信号的同步整流器(23)。
9.如权利要求1至7之一所述的转换器，包括用于导出差信号的模以得到表示实际负载电流的信号的绝对值检测器(25)。
10.如权利要求1至7之一所述的转换器，包括用于对变压器的磁化感应中的直流电流分量进行补偿的补偿电路(27，30，32)。
11.如权利要求10所述的转换器，其中所述补偿电路***作来在负载电流为0或者接近为0的时间窗口期间，基于第一电信号与第二电信号之间的差来产生误差信号，所述误差信号被反馈以产生一个偏移信号来改变馈至所述计算电路的第一电信号或第二电信号的幅值。
12.一种用于导出电信号的方法，所述电信号表示电能转换器所产生的负载电流，所述电能转换器包括具有初级电路(3，12)和次级电路的变压器(4)，所述方法包括：导出表示所述初级电路(3，12)中的电流的第一电信号，导出表示流经所述变压器(4)的磁化电流的第二电信号，以及对第一电信号和第二电信号进行组合以导出差信号，所述差信号表示反映到所述变压器的初级侧上的负载电流，从而所述差信号表示了实际的负载电流。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述差信号表示作为时间的函数的负载电流的变化。
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