CN102904457B - 高频开关电源和高频电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高频开关电源和高频电流检测方法。该***包括功率输入电路、功率输出电路、功率变压器和电流检测电路；其中，所述电流检测电路包括：电流互感器，包括一个初级绕组和至少一个的次级绕组，所述初级绕组和阻抗串联作为第一阻抗支路串联在所述功率输入电路和所述功率变压器组成的回路上；至少一条的第二阻抗支路，与所述第一阻抗支路并联后串联在所述回路上；检测单元，与所述次级绕组连接，用于检测所述次级绕组输出的电流。本发明可以降低电流检测电路的体积。

Description

高频开关电源和高频电流检测方法

技术领域

本发明涉及高频电源转换技术，尤其涉及一种高频开关电源和高频电流检测方法。

背景技术

功率转换时需要检测功率输入电路输出的电流，现有技术中可以将电流互感器的初级绕组串联到该电流流经的回路中，经过检测电流互感器的次级绕组输出的电流来确定功率输入电路输出的电流。

在高频电源转换技术中，由于功率转换频率越来越高，所需的功率密度越来越高。并且，在高频电源转换技术中，功率密度功率输入电路输出的电流很大，为了控制器件温度升高，保证可靠性，需要采用更大的线径来绕制电流互感器，这会导致电流互感器体积变得很大，一方面使得成本上升，另一方面占有较大的印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）面积，限制了功率密度的提高。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种高频开关电源和高频电流检测方法，用以降低电流检测电路的体积。

第一方面，本发明实施例提供了一种高频开关电源，包括：功率输入电路，用于输入功率；功率输出电路，用于输出功率；功率变压器，用于耦合所述功率输入电路和所述功率输出电路，将功率从所述功率输入电路传输给所述功率输出电路；电流检测电路，串联在所述功率输入电路和所述功率变压器组成的回路中，用于检测所述回路中的电流；其中，所述电流检测电路包括：电流互感器，包括一个初级绕组和至少一个的次级绕组，所述初级绕组和阻抗串联作为第一阻抗支路串联在所述回路上；至少一条的第二阻抗支路，与所述第一阻抗支路并联后串联在所述回路上；检测单元，与所述次级绕组连接，用于检测所述次级绕组输出的电流，以便根据所述次级绕组输出的电流以及所述初级绕组、所述次级绕组以及第二阻抗支路之间的关系确定出所述回路中的电流。

在第一种可能的实现方式中，所述第一阻抗支路包括的所述阻抗的值大于所述初级绕组的阻抗值与所述次级绕组折射到所述初级绕组上的阻抗值之和的5倍。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述阻抗为电容，每条所述阻抗支路由导线和电容组成；或者，所述阻抗为电感，每条所述阻抗支路由导线和电感组成。

在第三种可能的实现方式中，所述检测单元包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和电阻；所述第一二极管的负极电性连接所述第二二极管的正极；所述第三二极管的负极电性连接所述第四二极管的正极；所述第一二极管的正极电性连接所述第三二极管的正极；所述第二二极管的负极电性连接所述第四二极管的负极；所述次级绕组的一端电性连接所述第一二极管的负极和所述第二二极管的正极的连接点，所述次级绕组的另一端电性连接所述第三二极管的负极和所述第四二极管的正极的连接点；所述电阻的一端电性连接所述第一二极管的正极和所述第三二极管的正极的连接点，所述电阻的另一端电性连接所述第二二极管的负极和所述第四二极管的负极的连接点，用于输出检测电压，以便根据所述检测电压和所述电阻的阻值得到所述次级绕组上的电流。

结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式或第一方面的第二种可能的实现方式或第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述功率输入电路为高频开关电源电路，或者，高频交流电电源电路。

第二方面，本发明实施例提供了一种高频电流检测方法，包括：电流互感器的初级绕组和阻抗组成的作为第一阻抗支路与至少一条的第二阻抗支路进行并联后，对功率输入电路与功率变压器组成的回路的电流进行分流处理；检测单元与所述电流互感器的次级绕组连接，检测所述次级绕组输出的电流，以便根据所述次级绕组输出的电流以及所述初级绕组、所述次级绕组以及第二阻抗支路之间的关系确定出所述回路中的电流。

在第一种可能的实现方式中，所述检测单元检测所述次级绕组输出的电流，包括：整流电路中的电阻将电流转换为电压，以便根据所述电压和所述电阻的阻值得到所述次级绕组输出的电流，其中，所述电阻上流经的电流为电流互感器的所述次级绕组对所述初级绕组上的电流进行转换后的电流。

在第二种可能的实现方式中，当所述第一阻抗支路包括电感时，所述第二阻抗支路由导线和电感组成；或者，当所述第一阻抗支路包括电容时，所述第二阻抗支路由导线和电容组成。

在第三种可能的实现方式中，所述第一阻抗支路上包含的阻抗的值大于所述初级绕组的阻抗值与所述次级绕组折射到所述初级绕组上的阻抗值之和的5倍。

结合第二方面或第二方面的第一种可能的实现方式或第二方面的第二种可能的实现方式或第二方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述功率输入电路为高频开关电源电路，或者，高频交流电电源电路。

通过上述技术方案，采用电流互感器和与电流互感器并联的阻抗支路对功率输入模块输出的电流进行分流，由于分流出的电流相对于功率输入电路输出的电流有所减小，可以避免由于较大电流引起的需要较大体积的电流检测电路的问题，可以用较小体积的电流检测电路完成电流检测，进而降低成本和提升电源转换器的功率密度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高频开关电源一实施例的结构示意图；

图2为本发明高频开关电源另一实施例的结构示意图；

图3为本发明高频开关电源另一实施例的结构示意图；

图4为本发明高频开关电源另一实施例的结构示意图；

图5为本发明高频电流检测方法一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明高频开关电源一实施例的结构示意图，该***包括功率输入电路11、功率输出电路12、功率变压器13和电流检测电路，其中，电流检测电路包括电流互感器14、至少一条的第二阻抗支路15和检测单元16；

功率输入电路11用于输入功率；功率输出电路12用于输出功率；功率变压器13用于耦合所述功率输入电路和所述功率输出电路，将功率从所述功率输入电路传输给所述功率输出电路；电流检测电路串联在所述功率输入电路和所述功率变压器组成的回路中，用于检测所述回路中的电流；

与现有技术不同的是，电流检测电路包括如下单元：

电流互感器14，包括一个初级绕组和至少一个的次级绕组，所述初级绕组和阻抗（图1中用C1表示）串联作为第一阻抗支路串联在所述回路上；

至少一条的第二阻抗支路15（图1中第二阻抗支路包含的阻抗用C2表示），与所述第一阻抗支路并联后串联在所述回路上；

检测单元16，与所述至少一个的次级绕组连接，用于检测所述次级绕组输出的电流，以便根据所述次级绕组输出的电流以及所述初级绕组、所述次级绕组以及第二阻抗支路15之间的关系确定出所述回路中的电流。现有技术中，电流互感器的初级绕组串联在上述的回路中，也就是流经初级绕组的电流就是功率输入电路输出的电流，该电流是很大的，由于该电流很大，为了避免温度升高，提高可靠性，就需要增加绕制电流互感器的导线的线径，引起了体积的增大。

为了解决体积增大的问题，一种可行的方案就是降低电流检测电路上流经的电流的值。

本实施例中采用分流的方式降低流经电流检测电路的电流的值。

本实施例中，由于第一阻抗支路和第二阻抗支路是并联后串联到所述回路中的，因此流经第一阻抗支路的电流将小于回路中的电流，起到减小检测电流的目的。

可选的，检测单元可以包括整流电路。

如果是桥式整流或半波整流，采用一个次级绕组；如果是全波整流采用两个次级绕组。

参见图2，以电流互感器包括一个初级绕组和一个次级绕组，以及与初级绕组和阻抗串联的第一阻抗支路并联的第二阻抗支路为一条，且检测单元具体为整流电路为例，该***包括功率输入电路21、功率输出电路22、功率变压器23、第二阻抗支路24、电流互感器25和整流电路26，电流互感器25包括初级绕组251和次级绕组252。

功率输入电路21、功率输出电路22和功率变压器23的功能可以参见上一实施例。

第二阻抗支路24与第一阻抗支路是并联关系，第一阻抗支路是由电流互感器25的初级绕组251和阻抗C1串联形成的，并且第二阻抗支路和第一阻抗支路并联后串联在功率输入电路21和功率变压器23组成的回路中。

本实施例中，所述第一阻抗支路上的阻抗的值远大于所述初级绕组的阻抗值与所述次级绕组折射到所述初级绕组上的阻抗值之和，远大于的含义是5倍以上。

本实施例中，阻抗以电容为例。参见图2，与初级绕组251串联的电容用C1表示，第二阻抗支路上的电容用C2表示。

本实施例中，整流电路26由4个二极管和一个电阻组成，分别表示为第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）和电阻（R1）。

上述二极管以及电阻间的连接关系如下：

所述第一二极管的负极电性连接所述第二二极管的正极；

所述第三二极管的负极电性连接所述第四二极管的正极；

所述第一二极管的正极电性连接所述第三二极管的正极；

所述第二二极管的负极电性连接所述第四二极管的负极；

所述次级绕组的一端电性连接所述第一二极管的负极和所述第二二极管的正极的连接点，所述次级绕组的另一端电性连接所述第三二极管的负极和所述第四二极管的正极的连接点；

所述电阻的一端电性连接所述第一二极管的正极和所述第三二极管的正极的连接点，所述电阻的另一端电性连接所述第二二极管的负极和所述第四二极管的负极的连接点。

可以通过检测R1上的电压确定出次级绕组252上流经的电流，进而根据初级绕组251和次级绕组252之间的匝数关系，以及并联的支路间的阻抗关系，得到功率输入电路21输出的电流。

假设R1上检测出的电压用V表示，R1的电阻值用R表示，C1支路的阻抗是C2支路的阻抗的n倍，电流互感器25的次级绕组252的匝数是初级绕组251的匝数的m倍，由于C1所在支路的阻抗的值大于初级绕组251的阻抗值与次级绕组252折射到初级绕组251上的阻抗值之和，具体来讲是远大于，远大于是指在确定C1支路和C2支路的阻抗关系时可以忽略初级绕组251的阻抗值与次级绕组252折射到初级绕组251上的阻抗值之和。

在上述假设条件下，功率输入电路输出的电流I=（1+n）×（V/R）×m。

例如，假设初级绕组和次级绕组的匝数比为1:50，R1的阻值为100欧，C1:C2=1:2，检测的R1上的电压为2伏，则I=3安。

本实施例通过在回路中设置与初级绕组并联的支路，可以降低初级绕组上流经的电流值，可以用小体积的电流互感器完成对功率输入电路输出的大电流的检测，降低成本，并避免对功率密度的限制。

可选的，每条阻抗支路上的阻抗可以是电容、电感或电阻。

可选的，功率输入电路可以为高频开关电源电路，或者，高频交流电电源电路。

参见图3和图4，分别以阻抗为电容和电感为例，且功率输入电路和功率输出电路以高频开关电源电路为例。

具体的，功率输入电路，也就是原边由4个金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET），分别为Q3、Q4、Q5、Q6，组成一个全桥变换器。Q3和Q4组成一个桥臂，Q5和Q6组成另一个桥臂。

功率输出电路，也就是副边由2个mosfet，也就是Q1和Q2组成。

开关控制器控制Q3、Q4、Q5、Q6、Q1、Q2周期性地导通和关断。

两个桥臂的中点A和B被周期性地轮流连接到输入电源正极和地，于是在A、B间形成高频交流电压。

功率变压器TX1将该高频交流电压感应到副边,再通过Q1、Q2整流，C19滤波后,形成直流输出电压Vo。

为了知道变换器的工作状态，需要对流经功率变压器TX1的电流进行检测。流经功率变压器TX1的功率路径被分成两条支路，以图3为例，一条由C2和导线31组成；另一条由电容C1，导线32和电流互感器TX2组成，且电流互感器TX2原边（也就是初级绕组）的阻抗和副边（也就是次级绕组）折射到原边的阻抗之和远小于C1的阻抗，这样，电流互感器的接入不会对电流分配关系有明显影响。电流互感器可以检测出C1所在支路的电流。由于C1和C2的阻抗存在固定的比例关系，所以两条支路的电流也存在固定的比例关系。根据上一实施例的计算方式，就可以得到功率输入电路输出的电流，也就是流经功率变压器TX1的电流。

其中，类似上一实施例对电流检测的过程，检测出C1所在支路的电流是通过整流电路完成的，参见图3或图4，整流电路包括四个二极管和一个电阻，分别用D12、D14、D5、D13和R1表示，其中，D14的负极电性连接D12的正极；D13的负极电性连接D5的正极；D14的正极电性连接D13的正极；D12的负极电性连接D5的负极；次级绕组的一端电性连接D14的负极和D12的正极的连接点（该连接点以V1表示），次级绕组的另一端电性连接D13的负极和D5的正极的连接点（该连接点以V2表示）；R1的一端电性连接D14的正极和D13的正极的连接点（该连接点以V3表示，都是接地），R1的另一端电性连接D12的负极和D5的负极的连接点（该连接点以V4表示）。电流互感器的次级绕组输出的电流可以控制D12、D14、D5和D13的导通或关断，之后该次级绕组输出的电流将在导通的二极管与R1之间流通。例如，当次级绕组上流经的电流方向是图3或图4中的从右向左（也就是V1是高电平、V2是低电平）时，D12和D13将被导通，而D14和D5是关断的，之后，该次级绕组上输出的电流将在D12、R1、D13和次级绕组串联得到的回路上流通。在检测时，可以检测R1上的电压，用该电压处于R1的阻值就可以得到R1上的电流，也就是次级绕组上流通的电流。之后，再根据次级绕与初级绕组的匝数之比，可以得到初级绕组上的电流，再根据阻抗支路之间的阻抗关系，就可以得到功率输入电路输出的电流。

图3和图4不同的是，图3中的阻抗支路上的是电容，而图4是电感，但两者都是起到分流的作用。如参见图3，两条阻抗支路上的阻抗均为电容，分别为C2和C1，参见图4，两条阻抗支路上的阻抗均为电感，分别为L2和L1。另外，功率输入电路和TX1组成的回路中的阻抗与阻抗支路上包括的阻抗是相反的，以使得TX1可以顺利将输入功率耦合到输出回路。如图3的阻抗支路上的阻抗为电容，而回路上包括的阻抗为电感L8，而图4的阻抗支路上的阻抗为电感，回路上包括的阻抗为电容Cr。

本实施例通过电流检测电路对功率输入模块输出的电流进行分流，由于分流出的电流相对于功率输入电路输出的电流有所减小，可以避免由于较大电流引起的需要较大体积的电流检测电路的问题，可以用较小体积的电流检测电路完成电流检测，进而降低成本和提升电源转换器的功率密度。

图5为本发明高频电流检测方法一实施例的流程示意图，该方法包括：

步骤51：电流互感器的初级绕组和阻抗组成的作为第一阻抗支路与至少一条的第二阻抗支路进行并联后，对功率输入电路与功率变压器组成的回路的电流进行分流处理；

步骤52：检测单元与所述电流互感器的次级绕组连接，检测所述次级绕组输出的电流，以便根据所述次级绕组输出的电流以及所述初级绕组、所述次级绕组以及第二阻抗支路之间的关系确定出所述回路中的电流。

本实施例的方法为采用上述的高频开关电源进行电流检测时的方法，本实施例的方法采用的高频开关电源的具体组成可以参见上述实施例。

可选的，所述检测单元检测所述次级绕组输出的电流，包括：

整流电路中的电阻将电流转换为电压，以便根据所述电压和所述电阻的阻值得到所述次级绕组输出的电流，其中，所述电阻上流经的电流为电流互感器的所述次级绕组对所述初级绕组上的电流进行转换后的电流。

可选的，

当所述第一阻抗支路包括电感时，所述第二阻抗支路由导线和电感组成；或者，

当所述第一阻抗支路包括电容时，所述第二阻抗支路由导线和电容组成。

可选的，所述第一阻抗支路上包含的阻抗的值大于所述初级绕组的阻抗值与所述次级绕组折射到所述初级绕组上的阻抗值之和的5倍。

可选的，所述功率输入电路为高频开关电源电路，或者，高频交流电电源电路。

本实施例通过初级绕组所在的支路对功率输入模块输出的电流进行分流，由于分流出的电流相对于功率输入电路输出的电流有所减小，可以避免由于较大电流引起的需要较大体积的电流检测电路的问题，可以用较小体积的电流检测电路完成电流检测，进而降低成本和提升电源转换器的功率密度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高频开关电源，其特征在于，包括：

功率输入电路，用于输入功率；

功率输出电路，用于输出功率；

功率变压器，用于耦合所述功率输入电路和所述功率输出电路，将功率从所述功率输入电路传输给所述功率输出电路；

电流检测电路，串联在所述功率输入电路和所述功率变压器组成的回路中，用于检测所述回路中的电流；

其中，所述电流检测电路包括：

电流互感器，包括一个初级绕组和至少一个的次级绕组，所述初级绕组和阻抗串联作为第一阻抗支路串联在所述回路上；

至少一条的第二阻抗支路，与所述第一阻抗支路并联后串联在所述回路上；

检测单元，与所述次级绕组连接，用于检测所述次级绕组输出的电流，以便根据所述次级绕组输出的电流以及所述初级绕组、所述次级绕组以及第二阻抗支路之间的关系确定出所述回路中的电流。

2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述第一阻抗支路包括的所述阻抗的值大于所述初级绕组的阻抗值与所述次级绕组折射到所述初级绕组上的阻抗值之和的5倍。

3.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，

所述阻抗为电容，每条所述阻抗支路由导线和电容组成；或者，

所述阻抗为电感，每条所述阻抗支路由导线和电感组成。

4.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述检测单元包括：

第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和电阻；

所述第一二极管的负极电性连接所述第二二极管的正极；

所述第三二极管的负极电性连接所述第四二极管的正极；

所述第一二极管的正极电性连接所述第三二极管的正极；

所述第二二极管的负极电性连接所述第四二极管的负极；

所述次级绕组的一端电性连接所述第一二极管的负极和所述第二二极管的正极的连接点，所述次级绕组的另一端电性连接所述第三二极管的负极和所述第四二极管的正极的连接点；

所述电阻的一端电性连接所述第一二极管的正极和所述第三二极管的正极的连接点，所述电阻的另一端电性连接所述第二二极管的负极和所述第四二极管的负极的连接点，用于输出检测电压，以便根据所述检测电压和所述电阻的阻值得到所述次级绕组上的电流。

5.根据权利要求1-4任一项所述的电源，其特征在于，所述功率输入电路为高频开关电源电路，或者，高频交流电电源电路。

6.一种高频电流检测方法，其特征在于，包括：

电流互感器的初级绕组和阻抗组成的作为第一阻抗支路与至少一条的第二阻抗支路进行并联后，对功率输入电路与功率变压器组成的回路的电流进行分流处理；

检测单元与所述电流互感器的次级绕组连接，检测所述次级绕组输出的电流，以便根据所述次级绕组输出的电流以及所述初级绕组、所述次级绕组以及第二阻抗支路之间的关系确定出所述回路中的电流。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述检测单元检测所述次级绕组输出的电流，包括：

整流电路中的电阻将电流转换为电压，以便根据所述电压和所述电阻的阻值得到所述次级绕组输出的电流，其中，所述电阻上流经的电流为电流互感器的所述次级绕组对所述初级绕组上的电流进行转换后的电流。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

当所述第一阻抗支路包括电感时，所述第二阻抗支路由导线和电感组成；或者，

当所述第一阻抗支路包括电容时，所述第二阻抗支路由导线和电容组成。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一阻抗支路上包含的阻抗的值大于所述初级绕组的阻抗值与所述次级绕组折射到所述初级绕组上的阻抗值之和的5倍。

10.根据权利要求6-9任一项所述的方法，其特征在于，所述功率输入电路为高频开关电源电路，或者，高频交流电电源电路。