CN102103157B

CN102103157B - 直流电压隔离采样装置

Info

Publication number: CN102103157B
Application number: CN 200910215307
Authority: CN
Inventors: 阿尔佛雷德·莱恩; 刘慧�; 柳树渡
Original assignee: Emerson Network Power Energy Systems Noth America Inc
Current assignee: Dimension Corp.
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-12-21
Also published as: CN102103157A

Abstract

本发明涉及一种直流电压隔离采样装置，包括：开关模块(100)和变压器(T1)；其中所述变压器(T1)的原边第一输入端接收直流电压(Vdc)、所述变压器(T1)的原边第二输入端连接到所述开关模块(100)的第一端，所述开关模块(100)的第二端接地；在所述开关模块(100)导通时，所述变压器(T1)的副边输出副边采样信号。实施本发明的直流电压隔离采样装置，通过变压器和开关模块将直流电压信号变成开关量来进行隔离传输和采样，无需使用到光耦，因而成本较低且可靠性高。

Description

直流电压隔离采样装置

技术领域

本发明涉及电压测量领域，更具体地说，涉及一种直流电压隔离采样装置。

背景技术

在电压测量和控制中，通常采用低压器件对高压信号和/或大电流信号进行测量。为了保证电路安全可靠，同时提高电路的抗干扰能力，需要对低压器件进行电器隔离，同时加强绝缘。

在模块化电源中，为了满足电路精度、带宽、响应时间等要求，直流电压的隔离采样主要使用高速线性光耦。然而，高速线性光耦不但价格居高不下，而且其电流传输比（也就是光耦的输出光电管的电流与输入LED的电流之比）的稳定性不高。因此，该电流传输比常常易发生变化从而影响到隔离采样电路的稳定性。因此，需要一种成本较低，可靠性高的直流电压隔离采样装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的用于隔离采样直流电压的高速线性光耦成本过高且电流传输比不稳定的缺陷，提供一种成本较低，可靠性高的直流电压隔离采样装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种直流电压隔离采样装置，包括：开关模块和变压器；其中所述变压器的原边第一输入端接收直流电压、所述变压器的原边第二输入端连接到所述开关模块的第一端，所述开关模块的第二端接地；在所述开关模块导通时，所述变压器的副边输出副边采样信号；

其中所述变压器和所述开关模块将所述直流电压变换成开关量以进行隔离传输和采样。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述直流电压隔离采样装置进一步包括用于处理所述副边采样信号以生成有效副边采样信号的副边信号处理模块；所述副边信号处理模块的第一输入端连接到所述变压器的副边第一输出端、所述副边信号处理模块的第二输入端连接到所述变压器的副边第二输出端以接收所述副边采样信号，所述副边信号处理模块的采样信号输出端输出所述有效副边采样信号。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述开关模块包括开关管和驱动电路；其中所述开关管的栅极连接到所述驱动电路以接收驱动信号，并基于所述驱动信号导通或关断，所述开关管的源极接地、漏极连接到所述变压器的原边第二输入端。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述开关管是金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述驱动电路是隔离驱动电路。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述驱动电路是非隔离驱动电路。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述直流电压隔离采样装置进一步包括设置在所述变压器的原边第一输入端和所述变压器的原边第二输入端之间用于磁复位所述变压器的第一磁复位电路。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述直流电压隔离采样装置进一步包括设置在所述开关模块的第一端和所述开关模块的第二端之间用于磁复位所述开关模块的第二磁复位电路。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述副边信号处理模块包括用于处理所述副边采样信号的比例变换单元、比例积分变换单元、比例积分微分变换单元、用于滤波所述副边采样信号的滤波单元或用于钳位所述副边采样信号的电压的箝位单元。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述副边信号处理模块包括箝位单元和滤波单元，其中所述箝位单元连接到所述变压器的副边以钳位所述副边采样信号，所述滤波单元连接到所述箝位单元以接收钳位后的副边采样信号，并对所述钳位后的副边采样信号进行滤波。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述副边信号处理模块进一步包括所述比例变换单元、比例积分变换单元、比例积分微分变换单元中的一者，所述比例变换单元、比例积分变换单元、比例积分微分变换单元中的一者连接到所述滤波单元以对滤波箝位后的副边采样信号进行处理。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述副边信号处理模块包括所述比例变换单元、比例积分变换单元、比例积分微分变换单元中的一者和滤波单元，其中所述滤波单元连接到所述变压器的副边以滤波所述副边采样信号，所述比例变换单元、比例积分变换单元、比例积分微分变换单元中的一者连接到所述滤波单元以对滤波后的副边采样信号进行处理。

在本发明所述的直流电压隔离采样装置中，所述副边信号处理模块包括所述比例变换单元、比例积分变换单元、比例积分微分变换单元中的一者和箝位单元，其中所述箝位单元连接到所述变压器的副边以钳位所述副边采样信号，所述比例变换单元、比例积分变换单元、比例积分微分变换单元中的一者连接到所述箝位单元以对箝位后的副边采样信号进行处理。

实施本发明的直流电压隔离采样装置，通过变压器和开关模块将直流电压信号变成开关量来进行隔离传输和采样，无需使用到光耦，因而成本较低且可靠性高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的直流电压隔离采样装置的第一实施例的电路原理框图；

图2是本发明的直流电压隔离采样装置的第二实施例的电路原理框图；

图3是图2所示的直流电压隔离采样装置的波形图；

图4是本发明的直流电压隔离采样装置的第三实施例的电路原理框图；

图5是本发明的直流电压隔离采样装置的第四实施例的电路原理框图。

具体实施方式

图1是本发明的直流电压隔离采样装置的第一实施例的电路原理框图。如图1所示，本发明的直流电压隔离采样装置包括开关模块100和变压器T1。所述变压器T1的原边第一输入端接收直流电压Vdc、原边第二输入端连接到所述开关模块100的第一端。所述开关模块100的第二端接地。所述变压器T1的副边在所述开关模块100导通时输出副边采样信号Vsample。

其工作原理如下，当开关模块100导通时，直流电压Vdc经变压器T1隔离及电压变换，在变压器T1的副边输出副边采样信号Vsample。当开关模块100关断时，变压器T1的副边输出的信号为无效信号，连接到变压器的副边使用其副边输出信号的下级电路（如负载、信号处理电路等等）不会使用该无效信号。在本发明的简化实施例中，通过调整变压器的原边和副边线圈的匝数比，变压器T1的副边输出的副边采样信号无需进行下一步的处理，就可以供下级电路检测和控制使用。

在图1示出的实施例中，所述开关模块100可以是受驱动电路驱动的功率开关器件，也可以是由用户手动或自动控制闭合和关断的智能开关模块，甚至也可以是普通的手动或自动开关器件。

图2是本发明的直流电压隔离采样装置的第二实施例的电路原理框图。如图2所示，本发明的直流电压隔离采样装置包括变压器T1、开关管Q1、驱动电路101和副边信号处理模块200。所述变压器T1的原边第一输入端接收直流电压Vdc、原边第二输入端连接到所述开关管Q1的漏极。所述开关管Q1的栅极连接到所述驱动电路101以接收驱动信号并基于所述驱动信号导通或关断，所述开关管Q1的源极接地。所述副边信号处理模块200的第一输入端连接到所述变压器T1的副边第一输出端、第二输入端连接到所述变压器T1的副边第二输出端以接收所述副边采样信号Vsample并对其进行处理，下面将对可以进行的处理进行介绍。

在本实施例中，所述副边信号处理模块200的引入是为了对从变压器T1的副边接收到的副边采样信号进行处理，以便于获得适合下级电路使用的有效副边采样信号。

因此该副边信号处理模块200中可以包括连接到所述变压器T1的副边以用于处理所述副边采样信号的比例变换单元201、比例积分变换单元202、比例积分微分变换单元、用于滤波所述副边采样信号的滤波单元204或用于钳位所述副边采样信号的电压的箝位单元205。

例如，当需要对副边采样信号进行比例变换处理时，可采用比例变换单元201。当需要对副边采样信号进行比例积分变换时，可采用比例积分变换单元202。当需要对副边采样信号进行比例积分微分变换时，可采用比例积分微分变换单元。本领域可根据实际需要进行选择。当需要对副边采样信号进行滤波时，可将所述滤波单元204连接到所述变压器T1的副边，用于滤波所述副边采样信号。当需要对副边采样信号进行箝位时，可将箝位单元205连接到所述变压器T1的副边，用于箝位所述副边采样信号。

在本发明的其他优选实施例中，所述副边信号处理模块200包括所述比例变换单元201、比例积分变换单元202、比例积分微分变换单元中的一者和所述滤波单元204。比如，当所述副边信号处理模块200包括滤波单元204和比例变换单元201时，所述滤波单元204连接到所述变压器T1的副边，用于滤波所述副边采样信号，所述比例变换单元201从所述滤波单元204接收滤波后的副边采样信号，并对滤波后的副边采样信号进行比例变换。

在本发明的其他优选实施例中，所述副边信号处理模块200包括所述比例变换单元201、比例积分变换单元202、比例积分微分变换单元中的一者和所述箝位单元205。比如，当所述副边信号处理模块200包括箝位单元205和比例变换单元201时，所述箝位单元205连接到所述变压器T1的副边，用于箝位所述副边采样信号，所述比例变换单元201从所述箝位单元205接收箝位后的副边采样信号，并对所述箝位后的副边采样信号进行比例变换。

在本发明的另一类优选实施例中，所述副边信号处理模块200可只包括所述箝位单元205和滤波单元204，其中所述箝位单元205连接到所述变压器T1的副边以钳位所述副边采样信号，所述滤波单元204连接到所述箝位单元205以接收钳位后的副边采样信号，并对所述钳位后的副边采样信号进行滤波。

在本发明的更优选的实施例中，所述副边信号处理模块200进一步包括所述比例变换单元201、比例积分变换单元202、比例积分微分变换单元中的一者、所述滤波单元204和所述箝位单元205。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，所述副边信号处理模块200可包括比例变换单元201、滤波单元204和箝位单元205。在该实施例中，所述箝位单元205连接到所述变压器T1的副边，用于箝位所述副边采样信号Vsample。接着，由滤波单元204对箝位所述副边采样信号Vsample进行滤波，生成箝位滤波副边采样信号Vsample’’。所述比例变换单元201接收所述箝位滤波副边采样信号Vsample’’对其进行比例变化，以输出处理后的副边采样信号Vsample’。

在本发明的其他实施例中，可以采用比例积分变换单元202（如图5所示）或比例积分微分变换单元203来替代比例变换单元201。

在此，本领域技术人员已知并能够获得上述比例变换单元201、比例积分变换单元202、比例积分微分变换单元、滤波单元204和箝位单元205。本领域中已知的任何上述功能模块都可以用于本发明，在此就不再对其结构进行累述了。此外，本领域技术人员可根据实际需要，选择任何已知的信号处理单元对副边采样信号进行所需的处理以使其更好地适应下级电路的需要。

在本发明的一个优选实施例中，所述开关管Q1可以是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），也可以是绝缘栅双极型晶体管（IGBT），还可以是其他功率开关器件，其驱动电路可以是隔离驱动电路或者非隔离驱动电路。图3是图2所示的直流电压隔离采样装置的波形图。下面结合图3对本发明的直流电压隔离采样装置的工作原理进行进一步的说明：

当驱动电路101驱动开关管Q1导通时，直流电压Vdc经变压器T1隔离及电压变换，在变压器T1的副边输出副边采样信号。副边信号处理模块200接收所述副边采样信号并根据需要对其进行处理，比如可对其进行比例变换、比例积分变换或比例积分微分变换。在本发明的优选实施例中，还可对变换后的副边采样信号进行滤波，或引入箝位单元。在经过副边信号处理模块200的处理以后，可生成有效副边采样信号，供下级电路检测和控制使用。当驱动电路101驱动开关管Q1关断时，获得的副边采样信号为无效的信号，对下级电路不起作用。即，只在开关管Q1导通时，生成的有效副边采样信号Vsample’才对下级电路才起作用，而开关管关断时，获得的将是无效的信号。其电路工作波形如图3所示，Vdc信号为直流电压，ton为开关管Q1开通期间，toff为开关管Q1关断期间。在ton期间，Vsample’为有效副边采样信号，与直流电压Vdc成线性关系。在toff期间，Vsample’为无效的信号，其形状大小无需关心，图中用虚线表示。

图4是本发明的直流电压隔离采样装置的第三实施例的电路原理框图。如图4所示，为了变压器T1能够安全可靠工作，在开关管Q1关断时，需要进行磁复位。因此，在变压器T1的原边第一输入端和原边第二输入端之间设置有磁复位电路300。

图5是本发明的直流电压隔离采样装置的第四实施例的电路原理框图。如图5所示，可将磁复位电路400设置在在开关管Q1的源极和漏极之间，进而保证变压器T1能够安全可靠工作。

在本发明中，可以使用现有技术中已知的任何磁复位电路，本领域技术人员知悉并能够获得各种磁复位电路，在此就不再进行累述。

实施本发明的直流电压隔离采样装置，通过变压器和开关模块将直流电压信号变成开关量来进行隔离传输和采样，无需使用到光耦，因而成本较低且可靠性高。此外，还使用到了磁复位电路，保证了变压器能够安全可靠的工作，进而确保了整个直流电压隔离采样装置的稳定和可靠。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims

1.一种直流电压隔离采样装置，其特征在于，包括：开关模块（100）和变压器（T1）；其中

所述变压器（T1）的原边第一输入端接收直流电压（Vdc）、所述变压器（T1）的原边第二输入端连接到所述开关模块（100）的第一端，所述开关模块（100）的第二端接地；在所述开关模块（100）导通时，所述变压器（T1）的副边输出副边采样信号；

其中所述变压器（T1）和所述开关模块（100）将所述直流电压（Vdc）变换成开关量以进行隔离传输和采样。

2.根据权利要求1所述的直流电压隔离采样装置，其特征在于，所述直流电压隔离采样装置进一步包括用于处理所述副边采样信号以生成有效副边采样信号的副边信号处理模块（200）；所述副边信号处理模块（200）的第一输入端连接到所述变压器（T1）的副边第一输出端、所述副边信号处理模块（200）的第二输入端连接到所述变压器（T1）的副边第二输出端以接收所述副边采样信号，所述副边信号处理模块（200）的采样信号输出端输出所述有效副边采样信号。

3.根据权利要求1或2所述的直流电压隔离采样装置，其特征在于，所述开关模块（100）包括开关管（Q1）和驱动电路（101）；其中所述开关管（Q1）的栅极连接到所述驱动电路（101）以接收驱动信号并基于所述驱动信号导通或关断，所述开关管（Q1）的源极接地，漏极连接到所述变压器（T1）的原边第二输入端。

4.根据权利要求3所述的直流电压隔离采样装置，其特征在于，所述开关管（Q1）是金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管。

5.根据权利要求3所述的直流电压隔离采样装置，其特征在于，所述驱动电路（101）是隔离驱动电路或者非隔离驱动电路。

6.根据权利要求1或2所述的直流电压隔离采样装置，其特征在于，所述直流电压隔离采样装置进一步包括设置在所述变压器（T1）的原边第一输入端和所述变压器（T1）的原边第二输入端之间用于磁复位所述变压器（T1）的第一磁复位电路（300）。

7.根据权利要求1或2所述的直流电压隔离采样装置，其特征在于，所述直流电压隔离采样装置进一步包括设置在所述开关模块（100）的第一端和所述开关模块（100）的第二端之间用于磁复位所述开关模块（100）的第二磁复位电路（400）。

8.根据权利要求2所述的直流电压隔离采样装置，其特征在于，所述副边信号处理模块（200）包括用于处理所述副边采样信号的比例变换单元（201）、比例积分变换单元（202）、比例积分微分变换单元、用于滤波所述副边采样信号的滤波单元（204）或用于钳位所述副边采样信号的电压的箝位单元（205）。

9.根据权利要求2所述的直流电压隔离采样装置，其特征在于，所述副边信号处理模块（200）包括箝位单元（205）和滤波单元（204），其中所述箝位单元（205）连接到所述变压器（T1）的副边以钳位所述副边采样信号，所述滤波单元（204）连接到所述箝位单元（205）以接收钳位后的副边采样信号，并对所述钳位后的副边采样信号进行滤波。

10.根据权利要求9所述的直流电压隔离采样装置，其特征在于，所述副边信号处理模块（200）进一步包括比例变换单元（201）、比例积分变换单元（202）、比例积分微分变换单元中的一者，所述比例变换单元（201）、比例积分变换单元（202）、比例积分微分变换单元中的一者连接到所述滤波单元（204）以对滤波箝位后的副边采样信号进行处理。

11.根据权利要求2所述的直流电压隔离采样装置，其特征在于，所述副边信号处理模块（200）包括比例变换单元（201）、比例积分变换单元（202）、比例积分微分变换单元中的一者和滤波单元（204），其中所述滤波单元（204）连接到所述变压器（T1）的副边以滤波所述副边采样信号，所述比例变换单元（201）、比例积分变换单元（202）、比例积分微分变换单元中的一者连接到所述滤波单元（204）以对滤波后的副边采样信号进行处理。

12.根据权利要求2所述的直流电压隔离采样装置，其特征在于，所述副边信号处理模块（200）包括比例变换单元（201）、比例积分变换单元（202）、比例积分微分变换单元中的一者和箝位单元（205），其中所述箝位单元（205）连接到所述变压器（T1）的副边以钳位所述副边采样信号，所述比例变换单元（201）、比例积分变换单元（202）、比例积分微分变换单元中的一者连接到所述箝位单元（205）以对箝位后的副边采样信号进行处理。