CN110261661B - 电流检测电路及功率变换器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电流检测电路及功率变换器。采用一个检测管，并通过特定的连接方式，使得流过检测管的电流与流过待测功率管的电流成比例，同时在控制电路中合理设定供电电压并引入辅助电压，以检测功率变换器中的正向电流和负向电流信息。

Description

电流检测电路及功率变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及电流检测电路及功率变换器。
背景技术
对于任何功率变换器(包括AC-DC、DC-DC、DC-AC以及AC-AC)来说具有过流保护的功能是至关重要的。一些电路甚至需要精确的电流调节或电流反馈。因此，电流检测技术非常重要。
电阻检测是一种广泛应用的电流检测方法。它可以被设置在需要检测电流的电路回路中。但是这种方法会引入额外的通态损耗，因此对于大电流应用场合不适用。
一种常见的无损电流检测方法是使用功率管的导通电阻(Rds_on)来检测电流。当功率管导通时，其两端的电压等于流过其的电流与导通电阻Rds_on的乘积。但是，导通电阻Rds_on的值在不同阶段的变化很大，且其值还会随温度变化。因此，这些会使得电流检测电路更复杂且精度不是很好。
现有技术中较好的无损电流检测方法是采用一个检测管。以buck变换器为例。图1示出了现有技术中的第一种电流检测电路的电路图，其中检测管HSs在功率管HS导通时检测正向电感电流。图2示出了现有技术中的第二种电流检测电路的电路图，其中检测管LSs在功率管LS导通时检测正向电感电流。在本实施例中，检测管与功率管属于相同的类型，并且检测管的面积是功率管的1/N，检测管与功率管均设置在电路中的相同区域，以使得它们的温度保持相同，从而检测管的导通电阻Rds_on1是功率管的导通电阻Rds_on的N倍。在图1中，检测管HSs的栅极和源极与功率管HS的栅极和源极分别相连，检测管HSs的漏极与运算放大器Amp的反相输入端A相连，同相输入端B与功率管HS的漏极相连。运算放大器Amp的输出端连接至其反相输入端，从而保证A点电压与B点电压相同。这样可以使得检测管HSs和功率管HS的栅源电压Vgs和漏源电压Vds相同，从而使得检测管HSs和功率管HS的电流密度相同。当功率管HS导通时，流过检测管HSs的电流Isen是流过功率管HS中的电感电流IL的1/N。同理，图2中，检测管LSs在功率管LS导通时检测正向电流，其原理与图1相同。导通电阻的比例N与功率管的面积成反比，这很容易通过布局控制，并且该值对工艺变化不敏感。
但是，该电流检测电路仅能检测正向的电流。对于双向的电流检测，则需要使用两个检测管。以buck变换器为例。图3示出了现有技术中第一种双向电流检测电路的电路图，其中采用两个检测管HSs1和HSs2以在功率管HS导通时检测双向电感电流。图4给出了现有技术中第二种双向电流检测电路的电路图，其中采用两个检测管LSs1和LSs2以在功率管LS导通时检测双向电感电流。以图3为例进行说明。检测管HSs1的栅极和漏极分别与功率管HS的栅极和漏极对应相连，检测管HSs2的栅极和源极分别与功率管HS的栅极和源极对应相连，差分输出放大器Amp1的反相输入端A与检测管HSs2的漏极相连，同相输入端B与检测管HSs1的源极相连，差分输出放大器Amp1的两个输出端分别对应连至两个输入端，以使得A点和B点的电压相同。检测管HSs1用于检测从漏极流向源极的电流，检测管HSs2用于检测从源极流向漏极的电流。因此，该电流检测电路中有Isen＝Iref2-Iref1＝IL/N。
但是，采用两个检测管以检测双向的电流，不仅增加了器件面积，而且使布线布局更加复杂。特别是它很难用于分立的功率器件，焊盘和键合线对于实际产品来说太多。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是仅采用一个检测管实现双向电流的检测，且在集成的功率器件和分立的功率器件中均可以使用。
根据本发明的第一方面，提供了一种电流检测电路所包括检测管，被配置为在待测功率管的导通期间，使得流过的检测电流与所述待测功率管中流过的电流成比例；控制电路，被配置为控制所述检测管与所述待测功率管的相同类型的功率端电压相等，所述控制电路的输出信号用以表征所述检测电流；以及辅助电压产生电路，被配置为向所述控制电路提供辅助电压，使得所述控制电路的输出信号实现双向传输。
优选地，所述检测管的另一功率端与所述待测功率管相同类型的另一功率端连接，且所述检测管和所述功率管的控制端共同连接。
优选地，所述检测管与所述待测功率管的类型相同，所述检测管的面积是待测所述功率管的1/N(N为正数)。
优选地，所述控制电路包括运算放大器，其第一和第二输入端分别与所述检测管和所述待测功率管的相同类型的功率端相连，其输出端与所述第一输入端耦接。
优选地，所述辅助电压连接在所述运算放大器的输出端与所述第一输入端之间，其中所述辅助电压的正极与所述运算放大器的输出端相连。
优选地，所述运算放大器的正负供电端的电压分别为第一电压和第二电压，所述辅助电压大于所述第二电压且小于所述第一电压。
优选地，所述第二电压为所述待测功率管的一端的电压，所述第一电压为所述第二电压加上所述运算放大器的工作电压。
优选地，所述辅助电压产生电路包括电容；以及电压源，与所述电容并联，以在所述待测功率管关断时使得所述电容充放电至所述辅助电压。
优选地，所述辅助电压产生电路还包括箝位电路，与所述电容并联，以使得所述电容两端电压小于所述第一电压与所述第二电压的差值。
优选地，所述检测管与所述待测功率管均为场效应晶体管。
根据本发明的第二方面，提供了一种功率变换器，包括功率级电路，以及上述任一种电流检测电路，其中所述功率级电路包括至少一个待测功率管。
综上所述，本发明通过采用一个检测管，并通过特定的连接方式，使得流过检测管的电流与流过待测功率管的电流成比例，同时在控制电路中合理设定供电电压并引入辅助电压，以检测功率变换器中的正向电流和负向电流信息。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为现有技术中第一种电流检测电路的电路图；
图2为现有技术中第二种电流检测电路的电路图；
图3为现有技术中第一种双向电流检测电路的电路图；
图4为现有技术中第二种双向电流检测电路的电路图；
图5为本发明实施例的第一种电流检测电路的电路图；
图6为本发明实施例的第二种电流检测电路的电路图；
图7为本发明实施例的第三种电流检测电路的电路图；
图8为本发明实施例的第四种电流检测电路的电路图；
图9为本发明实施例的辅助电压产生电路的具体电路图；以及
图10为本发明实施例的箝位电路的电路实现图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图5给出了本发明实施例的第一种电流检测电路的电路图。以Buck变换器为例，同步整流的Buck变换器中有功率管HS和功率管LS。在本实施例中，以检测管和功率管均为MOSFET为例进行说明，应理解，其他类型的开关管，例如双极结型晶体管BJT也可以适用于本实施例中，只要保证检测管与功率管的结构类型相同。在图5中，电流检测电路包括检测管HSs、控制电路以及辅助电压产生电路，其中流过检测管HSs的电流与流过功率管HS的电流成比例，以此来检测电感电流IL。如图5所示，检测管HSs和功率管HS的控制端(在此为栅极)相连，且检测管HSs和功率管HS的一个相同类型的功率端(在此为漏极)相连，即两个管子为共栅共漏连接。控制电路的两个输入端分别与检测管HSs和功率管HS的另一个相同类型的功率端(在此为源极)相连，以控制检测管HSs和功率管HS的源极电压相等。在本实施例中，控制电路包括运算放大器Amp，其第一输入端A(在此为反相输入端)与检测管HSs的源极相连，其第二输入端B(在此为同相输入端)与功率管HS的源极相连。在图5中，由于功率管HS的源极与输入电压Vin相连，因此运算放大器Amp的同相输入端可直接与Vin相连。
运算放大器Amp的输出端通过辅助电压产生电路连接至第一输入端A。其中辅助电压产生电路输出辅助电压V2，连接在运算放大器Amp的输出端与第一输入端A之间，其中辅助电压V2的正极与运算放大器Amp的输出端相连，负极与第一输入端A相连。由于辅助电压产生电路的存在，运算放大器Amp的输出信号能够实现双向传输，在本实施例中，运算放大器Amp的输出信号即为检测电流Isen，辅助电压产生电路同时具有吸收和提供电流的能力。本领域技术人员应理解，任何实现上述功能的控制电路和辅助电压产生电路均在本发明的保护范围之内。
如上所述，检测管HSs和功率管HS的栅源电压Vgs相同，而控制电路使得第一输入端A和第二输入端B的电压相同，即漏源电压Vds也相同，同时，检测管HSs和功率管HS的结构类型相同，检测管HSs的导通电阻是功率管HS的导通电阻的N倍，因此，当功率管HS的驱动信号GH置高时，功率管HS导通，检测管HSs也导通，流过检测管HSs的检测电流Isen为流过功率管HS的电流IL的1/N。
本实施例与图1相比，不同之处在于，运算放大器Amp的正负供电端的电压分别为第一电压Vp和第二电压Vn，在此第二电压Vn等于Vin，第一电压Vp＝Vin+Vcc，其中Vcc为运算放大器Amp能正常工作的工作电压。同时增加了辅助电压产生电路，其输出的辅助电压V2大于第二电压Vn且小于第一电压Vp。由此，当电感电流IL为正时(图示方向)，运算放大器Amp的输出信号与正向的检测电流Isen一致，即流入辅助电压产生电路，辅助电压产生电路此时吸收电流。此时第一电压Vp与辅助电压V2的差值为正，以使得正向的检测电流Isen得以传输。当电感电流IL为负时(与图示方向相反)，运算放大器Amp的输出信号与反向的检测电流Isen一致，即流出辅助电压产生电路，辅助电压产生电路此时提供电流。此时辅助电压V2与第二电压Vn的差值为正，以使得反向的检测电流Isen得以传输。由于电感电流IL的正向电流值比反向电流值大的多，因此图5中的辅助电压产生电路需要足够的吸收能力。
图6为本发明实施例的第二种电流检测电路的电路图。同样电流检测电路包括检测管LSs、控制电路以及辅助电压产生电路，其中流过检测管LSs的电流与流过功率管LS的电流成比例，以此来检测电感电流IL。在本实施例中，检测管LSs和功率管LS的控制端(在此为栅极)相连，且检测管LSs和功率管LS的一个相同类型的功率端(在此为漏极)相连，即两个管子为共栅共漏连接。控制电路的两个输入端分别与检测管HSs和功率管HS的另一个相同类型的功率端(在此为源极)相连，以控制检测管HSs和功率管HS的源极电压相等。在本实施例中，控制电路包括运算放大器Amp，其第一输入端A(在此为反相输入端)与检测管LSs的源极相连，其第二输入端B(在此为同相输入端)与功率管LS的源极相连。由于功率管LS的源极接地，因此运算放大器Amp的同相输入端也可以直接接地。
运算放大器Amp的输出端通过辅助电压产生电路连接至第一输入端A。其中辅助电压产生电路输出辅助电压V2，连接在运算放大器Amp的输出端与第一输入端A之间，其中辅助电压V2的正极与运算放大器Amp的输出端相连，负极与第一输入端A相连。由于辅助电压产生电路的存在，运算放大器Amp的输出信号能够实现双向传输，在本实施例中，运算放大器Amp的输出信号即为检测电流Isen，辅助电压产生电路同时具有吸收和提供电流的能力。本领域技术人员应理解，任何实现上述功能的控制电路和辅助电压产生电路均在本发明的保护范围之内。
如上所述，检测管LSs和功率管LS的栅源电压Vgs相同，漏源电压Vds也相同，同时，检测管LSs和功率管LS的结构类型相同，检测管LSs的导通电阻是功率管LS的导通电阻的N倍，因此，当功率管LS的驱动信号GL置高时，功率管LS导通，检测管LSs也导通，流过检测管LSs的检测电流Isen为流过功率管LS的电流IL的1/N。
与图5不同的是，运算放大器Amp的正负供电端的电压分别为第一电压Vp和第二电压Vn，在此第一电压Vp等于Vcc，其中Vcc为运算放大器Amp其中Vcc为运算放大器Amp能正常工作的工作电压，第二电压Vp为零。同时辅助电压产生电路输出的辅助电压V2大于第二电压Vn且小于第一电压Vp。由此，当电感电流IL为正时(图示方向)，运算放大器Amp的输出信号与正向的检测电流Isen一致，即流入辅助电压产生电路，辅助电压产生电路此时吸收电流。此时第一电压Vp与辅助电压V2的差值为正，以使得正向的检测电流Isen得以传输。当电感电流IL为负时(与图示方向相反)，运算放大器Amp的输出信号与反向的检测电流Isen一致，即流出辅助电压产生电路，辅助电压产生电路此时提供电流。此时辅助电压V2与第二电压Vn的差值为正，以使得反向的检测电流Isen得以传输。由于电感电流IL的正向电流值比反向电流值大的多，因此图5中的辅助电压产生电路需要足够的吸收能力。
图7给出了本发明实施例的第三种电流检测电路的电路图。同样，以具有功率管HS和功率管LS的Buck变换器为例进行说明。在本实施例中，流过检测管HSs中的检测电流与流过功率管HS的电流成比例。与图5相比，检测管HSs和功率管HS的控制端(在此为栅极)相连，同时检测管HSs和功率管HS的一个相同类型的功率端(在此为源极)相连，即两个管子为共栅共源连接。控制电路的两个输入端分别于检测管HSs和功率管HS的另一个相同类型的功率端(在此为漏极)相连，以控制检测管HSs和功率管HS的漏极电压相等。控制电路在本实施例中包括运算放大器Amp，其第一输入端A(在此为反相输入端)与检测管HSs的漏极相连，其第二输入端B(在此为同相输入端)与功率管HS的漏极相连。
运算放大器Amp的输出端通过辅助电压产生电路连接至第一输入端A。其中辅助电压产生电路输出辅助电压V2，连接在运算放大器Amp的输出端与第一输入端A之间，其中辅助电压V2的正极与运算放大器Amp的输出端相连，负极与第一输入端A相连。由于辅助电压产生电路的存在，运算放大器Amp的输出信号能够实现双向传输，在本实施例中，运算放大器Amp的输出信号即为检测电流Isen，辅助电压产生电路同时具有吸收和提供电流的能力。
同样地，检测管HSs和功率管HS的栅源电压Vgs相同，漏源电压Vds也相同，同时，检测管HSs和功率管HS的结构类型相同，检测管HSs的导通电阻是功率管HS的导通电阻的N倍，因此，当功率管HS的驱动信号GH置高时，功率管HS导通，检测管HSs也导通，流过检测管HSs的检测电流Isen为流过功率管HS的电流IL的1/N。
运算放大器Amp的正负供电端的电压分别为第一电压Vp和第二电压Vn，在此第一电压Vp等于Vin+Vcc，第二电压Vn为Vin，其中Vcc为运算放大器Amp能正常工作的工作电压。同样地，辅助电压V2大于第二电压Vn且小于第一电压Vp。但是，与图5不同的是，当电感电流IL为正时(图示方向)，运算放大器Amp输出信号与正向的检测电流Isen一致，即流出辅助电压产生电路，辅助电压产生电路此时提供电流。此时辅助电压V2与第二电压Vn的差值为正，以使得正向的检测电流Isen得以传输。当电感电流IL为负时(与图示方向相反)，运算放大器Amp的输出信号与反向的检测电流Isen一致，即流入辅助电压产生电路，辅助电压产生电路此时吸收电流。此时第一电压Vp与辅助电压V2的差值为正，以使得反向的检测电流Isen得以传输。由于电感电流IL的正向电流值比负向电流值大的多，因此图7中的辅助电压产生电路更多地提供电流，而无需很强的吸收能力。
图8给出了本发明实施例的第四种电流检测电路的电路图，其中流过检测管LSs中的检测电流与流过功率管LS的电流成比例。所示的电流检测电路的工作原理与上述相似，在此不作阐述。
图9给出了本发明实施例的辅助电压产生电路的具体电路图。如图9所示，辅助电压产生电路包括电压源Vbias、开关管S1和S2以及电容C1。开关管S1和S2受控在待测功率管关断时导通，使得电容C1通过电压源Vbias充放电至电压Vbias，也即此时电压V2等于电压Vbias，其值大于第二电压Vn小于第一电压Vp。电压源Vbias具有吸收和提供电流的能力。电容C1的容值足够大以使得检测电流Isen在一个开关周期内对其充放电时，电容电压始终保持在第二电压Vn至第一电压Vp的范围内。
当然，还可以在电容两端增加箝位电路以增强电流吸收能力，同时可以箝位电容电压，保证无论检测电流Isen对电容C1的充电效果如何，电容上的电压V2始终小于Vcc。应理解，可以在电容C1两端并联稳压二极管、级联的耦合二极管或采用其他具有电压箝位效果的电路来实现。
图10给出了本发明实施例的箝位电路的电路实现图。如图10所示，箝位电路采用运算放大器A1实现，其同相输入端连接至开关管S1的漏极，反相输入端连接至输出端，同时输出端与开关管S1的栅极相连，最终的箝位效果是开关管S1两端的电压为箝位在栅极阈值电压Vth，从而电容C1两端的电压被箝位在Vth+Vbias，由于Vth较小，因此合理的设置电压源Vbias，即可以保证电容电压始终保持在第二电压Vn至第一电压Vp的范围之内，即保证辅助电压产生电路输出的辅助电压V2大于Vn且小于Vp。
上述实施例采用一个检测管，并通过特定的连接方式，使得流过检测管的电流与流过待测功率管的电流成比例，同时在控制电路中合理设定供电电压并引入辅助电压，以检测流过待测功率管的正向电流和负向电流信息。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电流检测电路，其特征在于，所述电流检测电路包括：
检测管，被配置为在待测功率管的导通期间，使得流过的检测电流与所述待测功率管中流过的电流成比例；
控制电路，包括运算放大器，其第一输入端和第二输入端分别与所述检测管和所述待测功率管的相同类型的一个功率端相连，以控制所述第一输入端和所述第二输入端的电压相等，所述运算放大器的输出信号为所述检测电流；以及
辅助电压产生电路，连接在所述运算放大器的输出端和所述第一输入端之间，被配置为向所述控制电路提供辅助电压，其中所述辅助电压产生电路具有吸收和提供电流的能力以使得所述控制电路的输出信号实现双向传输，其中所述运算放大器的正负供电端的电压分别为第一电压和第二电压，所述辅助电压大于所述第二电压且小于所述第一电压。
2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述检测管的另一功率端与所述待测功率管相同类型的另一功率端连接，且所述检测管和所述待测功率管的控制端共同连接。
3.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述检测管与所述待测功率管的类型相同，所述检测管的面积是所述待测功率管的1/N，其中N为正数。
4.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述辅助电压连接在所述运算放大器的输出端与所述第一输入端之间，其中所述辅助电压的正极与所述运算放大器的输出端相连。
5.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述第二电压为所述待测功率管的与所述运算放大器相连的一端的电压，所述第一电压为所述第二电压加上所述运算放大器的工作电压。
6.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述辅助电压产生电路包括：
电容；以及
电压源，与所述电容并联，以在所述待测功率管关断时使得所述电容充放电至所述辅助电压。
7.根据权利要求6所述的电流检测电路，其特征在于，所述辅助电压产生电路还包括：
箝位电路，与所述电容并联，以使得所述电容两端电压小于所述第一电压与所述第二电压的差值。
8.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述检测管与所述待测功率管均为场效应晶体管。
9.一种功率变换器，包括：
功率级电路，以及权利要求1-8任一项所述的电流检测电路，
其中所述功率级电路包括至少一个待测功率管。
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