CN102165388B - 用于调节电流的电流调节系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流调节系统，包括至少一个纵向支路，该纵向支路具有用于求取调整量信号（u,u₁,u₂）的线性纵向调节器（l,l₁,l₂），其中所述纵向调节器（l,l₁,l₂）与半导体调整元件（2,2₁,2₂）相连接，该半导体调整元件被连接到以地电位为参考的馈电电压（U_in）上，并在输出侧施加以地电位为参考的输出电压（U_out,U_out1,U_out2）。这里，被输入到所述纵向调节器（l,l₁,l₂）的参考信号、电流测量信号以及所述调整量信号（u,u₁,u₂）以地电位为参考，其中所述调整量信号（u,u₁,u₂）被输入到求差器（5,5₁,5₂），该求差器从所述调整量信号（l,l₁,l₂）中减掉所述馈电电压（U_in）与所述输出电压（U_out）之差，以及所述求差器（5,5₁,5₂）的以该方式求出的输出信号被输入到所述半导体调整元件（2,2₁,2₂）以作为被校正的调整量信号（u’,U’₁,U’₂）。

Description

用于调节电流的电流调节系统和方法

技术领域

本发明涉及一种电流调节系统，其包括至少一个纵向支路，该纵向支路具有用于求取调整量信号的线性纵向调节器，其中所述纵向调节器与半导体调整元件相连接，该半导体调整元件被连接到以地电位为参考的馈电电压上，并在输出侧施加以地电位为参考的输出电压。另外，本发明还涉及用于调节电流的方法。

背景技术

存在许许多多需要电流调节的电力和电子应用。例如人们知道电流源，其具有电流调节以便向所连接的一个或多个负载输出恒定的电流。

另外还已知有电子保险装置，利用其来保护被连接到电流源上的一个或多个负载支路。若在负载支路中出现故障（譬如短路），则电子保险装置借助于电流调节在短时间内（譬如几毫秒）限制电流，然后关断。其它负载支路继续由电流源供电。对于譬如由于接通过程所引起的短时过流，电子保险装置也将电流限制在一个预定值。

在这种仅仅规定短时电流限制或电流调节的应用情况下，大多采用简单的线性纵向调节器。这种纵向调节器控制短时消耗能量的半导体调整元件，以便将通过所连接的故障负载的电流保持在预定值。图1示出了一种相应电流调节系统的简要结构。这里，在馈电电压上设置一个纵向支路用于调节通过所连接的负载的电流。

电流调节的参考值或额定值象电流测量值一样以在所连接的负载上所下降的输出电压为参考。这里，纵向调节器由辅助电压供电，该辅助电压同样具有输出电压作为参考电位。该辅助电压用于在半导体调整元件的控制端（栅极）和输出端（源极）之间产生足够高的调整量信号。

如果例如在馈电电压上并联连接了多个纵向支路，那么必须针对每个纵向调节器设立自己的辅助电压，因为每个辅助电压通常具有不同于参考电位的输出电压。

发明内容

本发明所基于的任务是，为开头所述类型的电流调节系统提供一种相对于现有技术的改进。另外，还应提供一种相应被改善的电流调节方法。

根据本发明，该任务利用权利要求1所述的电流调节系统和权利要求7所述的方法来解决。

这里，被输入到所述纵向调节器的参考信号、电流测量信号以及调整量信号以地电位为参考，其中所述调整量信号被输入到求差器，该求差器将所述输出电压加到所述调整量信号中并减掉所述馈电电压，以及所述求差器的以该方式求出的输出信号被输入到所述半导体调整元件作为被校正的调整量信号。通过这种方式排除了电流调节系统因为调整线路中的阻抗而开始振荡。这种振荡的频率位于纵向调节器的极限频率上方。因为根据简单的计算操作几乎无延迟地通过求差器进行调整量信号的校正，所以通过用被校正的调整量信号控制半导体调整元件而阻止了调整线路的振荡，其中半导体调整元件的控制端和输出端之间的电压基本保持不变，直到纵向调节器预给定一个被改变的调整量信号。

在一种简单的实施中,所述纵向调节器被连接到以地电位为参考的辅助电压上。这里有利的是，所述辅助电压施加到与所述馈电电压串联布置的辅助电源上。通过这种方式，馈电电压可以被一同用来给纵向调节器供电，以便为调整量信号实现比馈电电压更高的电平。这种更高的电平对于控制半导体调整元件是必要的。

为求取所述电流测量信号优选地设置电流放大器，该电流放大器与所述辅助电压相连，并且与在后接于所述半导体调整元件上的分流电阻之前和之后的测量点相连。分流电阻形成了一种简单的可能性：执行准确而反应迅速的电流测量，这与如环境温度的外部因素无关。

半导体调整元件依赖于施加在控制端上的调整量信号而改变其穿越电阻。这里有利地采用简单的器件，例如普通的双极性晶体管、场效应晶体管（例如MOS-FET）或具有绝缘栅电极的双极性晶体管（IGBT）。

尤其有利的是,设立多个纵向支路，所述多个纵向支路与馈电电压相连，并具有共同的辅助电压为各自的纵向调节器供电。通过将电流测量信号和参考信号以地电位为共同参考，不再需要给每个纵向调节器供给自己的辅助电压。

本发明的用于调节电流的方法规定,给纵向调节器输入电流测量信号和参考信号，并依赖于该两个信号之差求出调整量，其中通过在馈电电压和输出电压之间布置的半导体调整元件的电阻变化来影响要调节的电流。另外，所述参考信号和所述电流测量信号以地电位为参考，并且所述调整量借助于求差器以如下方式被校正，即从所述调整量中减掉所述馈电电压与所述输出电压之差。

这里，求取被校正的调整量几乎无延迟地进行，由此，当由于电流测量信号和参考信号以地电位为参考而在纵向支路中出现线路阻抗的共同耦合时，即便在输出电压或馈电电压快速变化的情况下，所述调整电路也保持稳定。

附图说明

下面以举例的方式参考附图来阐述本发明。以简图的方式，

图1示出了现有技术的具有纵向调节器的电流调节系统，

图2示出了具有本发明调整量校正的电流调节系统，

图3示出了具有两个纵向支路的电流调节系统。

具体实施方式

在图1所示的已知电流调节系统中，设置了一个直流源DC，它的一端被连接到地电位，另一端施加馈电电压U_in。与直流源并联地布置了一个用于电压平滑的电容Cin。

在馈电电压U_in上连接了一个半导体调整元件2，其中在直流源DC和半导体调整元件2之间的线路具有阻抗Z_L。半导体调整元件2例如被构造为通常截止的n沟道MOS-FET，其具有栅极端G、漏极端D和源极端S。源极端S在这里通过寄生二极管与漏极端D相连。在该情况下，漏极端被连接到馈电电压U_in上。

在栅极端G上施加线性调节器1的调整量信号。源极端S与一个输出端相连，该输出端上施加了输出电压U_out并被连接到负载4的一个端子上。负载4的第二端子与地电位相连接。在源极端S和该输出端之间布置了一个用于电流测量的分流电阻R_Sh。

在分流电阻R_Sh之前和之后,触点与电流放大器3的输入端相连接。电流放大器3在其输出端提供一个被输入到纵向调节器1的电流测量信号。

电流放大器3和纵向调节器1借助于辅助电源U_H被供电，该辅助电源以输出电压U_out为参考。

线性调节器1另外还被输入一个用于规定额定电流值I_soll的参考信号，其中该参考信号同样以输出电压U_out为参考。

 半导体开关元件2在无干扰的运行方式中是自导通的,使得输出电压U_out在忽略器件和线路损耗的情况下约相当于馈电电压U_in。这里,调整量信号低于半导体开关元件2的阈值电压。

如果电流因为干扰而上升超过预定的电流额定值I_soll，那么调节器便开始工作。调整量信号上升超过半导体开关元件2的阈值电压，使得半导体开关元件2的从漏极端到源极端的穿越电阻上升。应当理解，这种电流限制的最大允许时延取决于温度情况。通常，在半导体开关元件2损坏前，可以用这种方式在几秒的范围上把电流调节到预定的额定值。

为了例如借助于辅助电压给多个并联布置的纵向支路供电，将辅助电压和各个参考信号以及电流测量信号以共同的地电位为参考，是值得追求的。因此，虽然实现了所希望的与各个纵向支路的通常为不同大小的输出电压的无关性，但纵向支路内的输出电压变化因为线路阻抗Z_L而会导致调节环中的共同耦合。

如果例如在负载跳变时输出电压或相应半导体器件的源极端上的电压下降，那么栅极端和源极端之间的电压必定上升，因为以地电位为参考的调整值信号因为线路电阻Z_L而不会与输出电压同步地下降。这种共同耦合导致不稳定的调节回路，并引起电流的持续振荡。

为了断开调节回路中共同耦合的影响，根据本发明进行调整量校正。图2示出了一种相应的装置。

基本电路由一种纵向电路构成，其中负载4通过辅助开关元件2被连接到馈电电压U_in上。电流回路通过地电位闭合，该地电位作为馈电电压U_in和在负载4上所下降的输出电压U_out的共同参考电位。

辅助开关元件2象图1中一样例如被构造为MOS-FET，其中漏极端D与馈电电压U_in相连，源极端S与施加有输出电压U_out的输出端相连。这里，在源极端S与输出端之间布置了分流电阻R_sh。分流电阻之前与之后的触点与电流放大器3的输入端相连。被接通到地电位的电流放大器3利用一个辅助电压被供电，在与馈电电压串联布置的辅助电源U_H上施加该辅助电压。电流放大器3的输出端上的电流测量信号因此同样与辅助电压一样以地电位为参考，作为馈电电压U_in和在负载4上所下降的输出电压U_out的共同参考电位。

与电流放大器3一样利用辅助电压被供电的纵向调节器1在其输入侧输入电流测量信号和参考信号。参考信号同样与电流测量信号一样以地电位为参考，并预先给定了额定电流值I_soll。因此在纵向调节器1的输出端上施加一个以地电位为参考的调整量信号u，该调整量信号被输入到求差器5。该求差器5同时还与馈电电压U_in以及输出电压U_out相连，并根据以下关系产生一个被校正的调整量信号u’：u’=u-(U_in-U_out)。

根据本发明，半导体调整元件2的栅极端G被施加该被校正的调整量信号u’。

求差器5有利地被构造为简单的模拟电路，以便一旦在输出电压U_out或馈电电压U_in出现变化时，便进行调整量信号u的近似无延迟的校正。在各种情况下，该校正进行的速度是通过纵向调节器1匹配调整量信号u的多倍快。

于是，通过立即校正调整量信号u来避免阻抗Z_L的共同耦合。这里，校正对应于由阻抗Z_L引起的、馈电电压U_in减去输出电压U_out之差，由此半导体调整元件2的栅极端和源极端之间的电压基本保持不变，直到纵向调节器1预给定一个被改变的调整量信号u。因此调节回路是稳定的，并不会导致电流的振荡。

在图3中示出了具有不同输出电压U_1out、U_2out的两个纵向支路。纵向电路由一个与辅助电源U_H串联的共同的馈电电压U_in供电。每个纵向电路包括一个自己的半导体调整元件2₁或2₂，其在各自相连的负载4₁或4₂短路的情况下或在短时过载的情况下把电流限制到一个预定的电流额定值I_1soll或I_2soll。为了测量电流，每个纵向支路具有一个自己的分流电阻R_1Sh或R_2Sh。

每个半导体调整元件2₁或2₂借助于各自的求差器5₁或5₂的输出端上所施加的被校正的调整量信号u₁’或u₂’进行控制。各自的求差器5₁或5₂根据在纵向支路中各自出现的阻抗Z_1L或Z_2L校正由各自纵向调节器1₁或1₂预给定的调整量信号u₁或u₂。

因为所有的电流测量信号、参考信号和调整值信号u₁、u₂都是以共同的地电位为参考，因此在多个并联连接的纵向支路中只需要一个单个的辅助电压，所有的纵向调节器1₁、1₂和电流放大器3₁、3₂都被连接到该辅助电压上。这里应当理解的是，以这种方式可以并联地连接多于图3所示的两个纵向支路。

Claims (7)

1.一种电流调节系统，其包括至少一个纵向支路，该纵向支路具有用于求取调整量信号（u,u₁,u₂）的线性纵向调节器（l,l₁,l₂），其中所述纵向调节器（l,l₁,l₂）与半导体调整元件（2,2₁,2₂）相连接，该半导体调整元件被连接到以地电位为参考的馈电电压（U_in）上，并在输出侧施加以地电位为参考的输出电压（U_out,U_out1,U_out2）,其特征在于：

被输入到所述纵向调节器（l,l₁,l₂）的参考信号、电流测量信号以及所述调整量信号（u,u₁,u₂）以地电位为参考，

所述调整量信号（u,u₁,u₂）被输入到求差器（5,5₁,5₂），该求差器从所述调整量信号（l,l₁,l₂）中减掉所述馈电电压（U_in）与所述输出电压（U_out,U_out1,U_out2）之差，以及

所述求差器（5,5₁,5₂）的以该方式求出的输出信号被输入到所述半导体调整元件（2,2₁,2₂）以作为被校正的调整量信号（u’,u’₁,u’₂）。

2.按照权利要求1的电流调节系统,其特征在于,所述纵向调节器（l,l₁,l₂）被连接到以地电位为参考的辅助电压上。

3.按照权利要求2的电流调节系统,其特征在于,在与所述馈电电压（U_in）串联布置的辅助电源（U_H）上施加所述辅助电压。

4.按照权利要求2－3之一的电流调节系统,其特征在于,为求取所述电流测量信号设置电流放大器（3,3₁,3₂），该电流放大器与所述辅助电压相连，并且与在后接于所述半导体调整元件（2,2₁,2₂）上的分流电阻（R_Sh,R_1Sh,R_2Sh）之前和之后的测量点相连。

5.按照权利要求1－3之一的电流调节系统,其特征在于,设置双极性晶体管、场效应晶体管或具有绝缘栅电极的双极性晶体管作为所述半导体调整元件（2,2₁,2₂）。

6.按照权利要求2－3之一的电流调节系统,其特征在于,设立多个纵向支路，所述多个纵向支路与馈电电压（U_in）相连，并具有共同的辅助电压为各自的纵向调节器（l₁,l₂）供电。

7.一种用于调节电流的方法,其中给线性纵向调节器（l,l₁,l₂）输入电流测量信号和参考信号，并依赖于该两个信号之差求出调整量，其中通过在馈电电压（U_in）和输出电压（U_out,U_out1,U_out2）之间布置的半导体调整元件（2,2₁,2₂）的电阻变化来影响要调节的电流，其特征在于，

所述参考信号和所述电流测量信号以地电位为参考，并且所述调整量借助于求差器（5,5₁,5₂）以如下方式被校正，即从所述调整量中减掉所述馈电电压（U_in）与所述输出电压（U_out,U_out1,U_out2）之差。

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