CN102200549B - 相位检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相位检测装置及其方法，通过死区时间检测单元检测驱动电路死区时间和负载电流检测单元负载电流过零点的相位信息，根据死区时间检测单元及所述负载电流检测单元的检测结果来判断负载的电压及电流的相位关系，本发明的相位检测装置及方法检测准确，抗干扰能力强，而且成本低廉。

Description

相位检测装置及方法

技术领域

本发明涉及数字电路领域，尤其涉及一种相位检测的装置及方法。

背景技术

在许多电路，特别是电磁加热电路中，合理的控制负载电压和电流相位，可以实现功率调节，降低损耗，避免损坏大功率元件，因此，检测负载电压和电流相位具有重要的意义。常见的检测方法是利用锁相环集成电路或者通过高性能微处理器检测实现，锁相环集成电路通过将分频输出的信号和从信号中提取的相位参考信号进行比较，利用相位差值的变化来判断负载电压和负载电路的相位关系，从而达到锁频的目的，其缺点是电路复杂，容易受干扰导致不能锁定相位，而使用高性能微处理器也有对软件可靠性要求高、成本较高的缺点。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种检测准确，成本低廉的相位检测装置及方法。

为了达到上述目的，本发明提出一种相位检测装置，其特征在于，包括：

驱动单元，用于驱动负载，且其输入信号具有死区时间；

负载电流检测单元，用于检测负载电流的过零点；

死区时间检测单元，用于检测驱动单元输入信号的死区时间；

相位判定单元，用于根据所述死区时间检测单元及所述负载电流检测单元的检测结果，判断负载的电压及电流的相位关系。

优先的，所述驱动单元包括：

第一电路，用于产生驱动信号，驱动三极管；

所述三极管，用于控制负载电路的开关。

优先的，所述三极管是IGBT绝缘栅双极型晶体管或MOSFET绝缘栅型场效应管。

优先的，所述负载电流检测单元包括：

电流互感器，其初级串联在负载回路中，用于将负载电流转换成检测电流；

整流器，联接所述电流互感器次级的两端，用于将所述检测电流转换为脉动直流信号；

第二电路，联接在所述整流器后，用于检测所述脉动直流信号的过零点，并在检测到过零点时，产生第一电平信号。

优先的，所述死区时间检测单元包括：

第一D触发器，输入信号接入所述第一D触发器的置位端和复位端，当输入信号位于死区时间时，输出端同时输出高电平；

第三电路，用于当所述第一D触发器的输出结果为高电平时产生第二电平信号。

优先的，所述相位判定单元为第二D触发器，所述第一电平信号接入第二D触发器的数据信号端，第二电平信号接入第二D触发器的时钟信号端，通过第二D触发器的输出结果便可判断负载电压及电流的相位关系。

本发明还提出了一种相位检测关系方法，包括以下步骤：

输入含有死区时间的信号；

检测负载电流的过零点；

检测输入信号的死区时间；

根据所述输入信号死区时间及负载电流的检测结果，判断负载电压及负载电流的相位关系。

优先的，所述检测负载电流的过零点的步骤为：

将负载电流转换为检测电流；

将检测电流转换为脉动直流信号，脉动直流信号包含负载电流的过零点信息；

检测脉动直流信号的过零点，当脉动直流信号过零点时，产生第一电平信号。

优先的，所述检测输入信号的死区时间的步骤为：

将输入信号接入第一D触发器的置位端和复位端，当输入信号处于死区时间时，所述第一D触发器输出高电平；

根据所述第一D触发器的输出结果产生检测结果，当第一D触发器输出高电平时，产生第二电平信号。

优先的，所述判断负载电压及负载电流的相位关系的步骤为：

将所述第一电平信号接入第二D触发器的数据信号端，第二电平信号接入第二D触发器的时钟信号端，当第二电平信号的上升沿来到之时，第二D触发器翻转到与第一电平信号相同的状态；

根据第二D触发器的输出结果判断负载电压及负载电流的相位关系，当负载电压与电流同相位时，此时第二D触发器的输出端为高电平，当负载电压相位超前负载电流相位时，此时第二D触发器的输出端为低电平。

本发明利用驱动电路死区时间和负载电流过零点，使用通用数字集成电路实现的相位检测，具有以下优点：

1、将模拟信号数字化，检测准确可靠，抗干扰能力强。

2、检测电路输出高低电平信号，由于有数字电路预处理，可以直接用低性能微处理器实现相位检测，对于降低成本有重要意义。

附图说明

图1是本发明相位检测装置一实施例的原理框图；

图2为本发明相位检测装置一实施例结构示意图；

图3是本发明相位检测装置优先实施例的电路原理图；

图4是图3所示电路中负载电压相位超前于负载电流相位时的时序图；

图5是图3所示电路中负载电压和负载电流同相时的时序图；

图6为本发明相位检测方法的流程示意图。

为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述。

具体实施方式

应当理解，以下描述的具体实施例仅仅为了对本发明进行说明，而并非对其进行限制。

图1是本发明相位检测装置一实施例的原理框图。该相位检测装置由驱动单元1、负载电流检测单元3、死区时间检测单元4和相位判定单元5组成。当驱动单元1接受输入信号后，驱动单元1输出驱动信号从而驱动负载2，其中负载2是指主电路中消耗功率的元件，例如在主电路为电磁加热电路中，负载2为电磁线圈和/或由其组成的LC谐振回路中的其他元件，本发明通过在输入信号中设置死区时间，然后利用一死区时间检测单元4检测死区时间和利用一负载电流检测单元3检测负载2的电流过零点，根据其输出结果来判断负载2的电压及电流的相位关系。

图2为本发明实施例的结构示意图，其为图1的进一步说明，如图所述，所述相位检测装置包括：

驱动单元1，驱动单元1由第一电路11和三极管12组成，在本发明中，三极管12为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(绝缘栅型场效应管)，也可以为普遍意义中的半导体三极管，其中第一电路11接受输入信号，产生驱动信号，驱动三极管12，三极管12作为主电路中负载2的开关控制或功率放大元件。例如，电磁加热电路中的开关管IGBT，为了避免IGBT由于关断延迟效应造成上下桥臂直通，因此有必要在输入信号中设置死区时间。

负载电流检测单元3，负载电流检测单元3包括电流互感器31、整流器32和第二电路33，其中电流互感器31耦接在负载回路中，用于将负载电流转换成电流值较小的检测电流；整流器32串联在电流互感器31之后，用于将检测电流转换为脉动直流信号，此处脉动直流信号实际为正向的脉动直流电，其含有过零点；第二电路33耦接在整流器32之后，用于检测脉动直流信号的过零点，当脉动直流信号过零点时，产生第一电平信号，第一电平信号对应了负载电流的零点相位。

死区时间检测单元4，死区时间检测单元4包括第一D触发器41和第三电路42，设置有死区时间的输入信号接入第一D触发器41的置位端SET和复位端CLR，当输入信号位于死区时间，即置位端和复位端同时为低电平时，输出端同时输出高电平，此时第三电路42耦接在第一D触发器41之后，当且仅当第一D触发器的两个互为反相的输出端Q和

同时输出高电平信号时，第三电路42产生第二电平信号。

以上有关“耦接”一词是指直接或间接的电气连接方式，并不暗示为信号或电流的必定传输方向，例如，第三电路42耦接在第一D触发器41之后，应理解为，第三电路42在此处响应第一D触发器的输出端电平信号并产生第二电平信号，而不是信号由第一D触发器41流向了第三电路42。

相位判定单元5包括一第二D触发器51，用于根据死区时间检测单元4及负载电流检测单元3的检测结果，判断负载2的电压及电流的相位关系。死区时间检测单元4产生的第一电平信号接入第二D触发器的数据信号端，负载电流检测单元3产生的第二电平信号接入第二D触发器的时钟信号端，当第二电平信号的上升沿来到之时，第二D触发器51翻转到与第一电平信号相同的状态，若负载电压与电流同相位，此时第一电平信号为高电平，若负载电压相位超前负载电流相位，此时第一电平信号为低电平，因此，通过第二D触发器51两个互为反相的输出端Q和

的高低电平输出结果便可判断负载电压及电流的相位关系。

图3为图2所述实施例具体结构的电路图，如图所述，驱动单元1由第一电路11和两个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)Q1和Q2组成，为了避免Q1和Q2同时导通，因此输入信号带有死区时间，其中第一电路11为一半桥驱动电路，含有死区时间的逻辑电平输入信号A和B接入电路中HIN端和LIN端，HO端和LO端对应HIN端和LIN端的驱动信号输出，并结合自举电容C1，自举式驱动IGBT的关断与开通，IGBT用于负载回路的开关控制，谐振回路由IGBT，负载电阻RL，电感L，电容C3、C4和负载电流检测单元3中电流互感器31的初级组成，其中电流互感器31的初级串联在谐振回路中，次级连接在负载电流检测单元3中桥式整流器32的两端，其将负载电流成比例降低，转换为检测电流，检测电流经桥式整流器32转换为脉动直流信号D，通过检测脉动直流信号D的过零点便可得到负载电流的零点相位信息。

将输入信号接入一D触发器的置位端和复位端可检测出输入信号的死区时间，如图3所示，死区时间检测单元4由第一D触发器41和第三电路42组成，设置有死区时间的输入信号接入第一D触发器41的置位端PR和复位端CLR，当输入信号位于死区时间，即置位端和复位端同时为低电平时，输出端Q和

同时输出高电平，第三电路42中包括两个二极管D2、D3，对应耦接在第一D触发器41的两个互为反相的输出端Q和

之后，当第一D触发器的两个互为反相的输出端Q和同时输出高电平信号时，D2、D3同时截止，第三电路42在上拉作用下输出高电平信号即第二电平信号E。类似的，当负载电流检测单元3中第二电路33检测到脉动直流信号D的过零点时，第二电路33中的三极管Q3截止，此时Q3关断，第二电路33输出高电平信号，即第一电平信号F。

相位判定单元5包括第二D触发器51，用于根据死区时间检测单元4及负载电流检测单元3的检测结果，判断负载的电压及电流的相位关系。死区时间检测单元4产生的第一电平信号F接入第二D触发器的数据信号端，负载电流检测单元3产生的第二电平信号E接入第二D触发器的时钟信号端，在第二D触发器51的置位端PR与复位端CLR高电平下，当第二电平信号E的上升沿来到之时，第二D触发器51翻转到与第一电平信号F相同的状态，其输出端Q输出与第一电平信号F相同的电平信号，若负载电压与电流同相位，此时第一电平信号F为高电平，第二D触发器51的输出端Q输出高电平，若负载电压相位超前负载电流相位，此时第一电平信号F为低电平，第二D触发器51的输出端Q输出低电平，因此，通过第二D触发器51两个互为反相的输出端Q和

的高低电平输出结果便可判断负载电压及电流的相位关系。

在本实施例中，以上第一D触发器41与第二D触发器51为集成在D触发器74HC74的两个不同单元U2A和U2B，但不限于D触发器74HC74，也可以通过其它D触发器实现。

如图4和图3所示，当电路中负载电压相位超前于负载电流相位时，死区时间也超前于负载电流过零点，当负载电流过零点时，此时负载电流检测单元3中的脉动直流信号D的零点相位被检测，并产生第一电平信号F，因此过零点死区时间检测单元4的产生的第二电平信号E超前于第一电平信号F，在E的上升沿来到时，信号F处于低电平，第二D触发器51的Q输出端输出低电平信号G，Q反相端输出高电平信号H。

如图5和图3所示，所示电路中负载电压和负载电流同相时，死区时间和负载电流过零点也同相，当负载电流过零点时，负载电流检测单元3中的脉动直流信号D的零点相位被检测，并产生第一电平信号F，此时过零点死区时间检测单元4的产生的第二电平信号E与第一电平信号F同相位，在E的上升沿来到时，信号F处于高电平，第二D触发器51的Q输出高电平信号G，Q反相端输出低电平信号H。

通过信号G或者信号H的高低电平信号即可判断负载电压和电流是否同相位。

图6为本发明一实施例的一种相位检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：输入含有死区时间的信号；

步骤S2：检测负载电流的过零点；

步骤S3：检测输入信号的死区时间；

步骤S4：根据所述死区时间及负载电流的检测结果，判断负载电压及负载电流的相位关系。

其中步骤S2中检测负载电流的过零点的步骤为：

将负载电流转换为检测电流；

将检测电流转换为脉动直流信号，脉动直流信号包含负载电流的过零点信息；

检测脉动直流信号的过零点，当脉动直流信号过零点时，产生第一电平信号。

其中步骤S3中检测输入信号的死区时间的步骤为：

将输入信号接入第一D触发器的置位端和复位端，当输入信号处于死区时间时，所述第一D触发器输出高电平；

根据所述第一D触发器的输出结果产生检测结果，当第一D触发器输出高电平时，产生第二电平信号。

其中步骤S4中判断负载电压及负载电流的相位关系的具体步骤为：

将第一电平信号接入第二D触发器的数据信号端，第二电平信号接入第二D触发器的时钟信号端，当第二电平信号的上升沿来到之时，第二D触发器翻转到与第一电平信号相同的状态；

根据第二D触发器的输出结果判断负载电压及负载电流的相位关系，当负载电压与电流同相位时，此时第二D触发器的输出端为高电平，当负载电压相位超前负载电流相位时，此时第二D触发器的输出端为低电平。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种相位检测装置，其特征在于，包括：

驱动单元，用于驱动负载，且其输入信号具有死区时间；

负载电流检测单元，用于检测负载电流的过零点；

死区时间检测单元，用于检测驱动单元输入信号的死区时间；

相位判定单元，用于根据所述死区时间检测单元及所述负载电流检测单元的检测结果，判断负载的电压及电流的相位关系；其中，

所述死区时间检测单元包括：第一D触发器，输入信号接入所述第一D触发器的置位端和复位端，当输入信号位于死区时间时，输出端同时输出高电平；第三电路，用于当所述第一D触发器的输出结果为高电平时产生第二电平信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动单元包括：

第一电路，用于产生驱动信号，驱动三极管；

所述三极管，用于控制负载电路的开关。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述三极管是IGBT绝缘栅双极型晶体管或MOSFET绝缘栅型场效应管。

4.如权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于，所述负载电流检测单元包括：

电流互感器，用于将负载电流转换成检测电流；

整流器，用于将所述检测电流转换为脉动直流信号；

第二电路，用于检测所述脉动直流信号的过零点，并在检测到过零点时，产生第一电平信号。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述相位判定单元为第二D触发器，所述第一电平信号接入第二D触发器的数据信号端，第二电平信号接入第二D触发器的时钟信号端，通过第二D触发器的输出结果便可判断负载电压及电流的相位关系。

6.一种相位检测关系方法，其特征在于，包括以下步骤：

输入含有死区时间的信号；

检测负载电流的过零点；

检测输入信号的死区时间；

根据所述输入信号死区时间及负载电流的检测结果，判断负载电压及负载电流的相位关系；其中，

所述检测输入信号的死区时间步骤具体为：将输入信号接入第一D触发器的置位端和复位端，当输入信号处于死区时间时，所述第一D触发器输出高电平；根据所述第一D触发器的输出结果产生检测结果，当第一D触发器输出高电平时，产生第二电平信号。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述检测负载电流的过零点的步骤为：

将负载电流转换为检测电流；

将检测电流转换为脉动直流信号，脉动直流信号包含负载电流的过零点信息；

检测脉动直流信号的过零点，当脉动直流信号过零点时，产生第一电平信号。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述判断负载电压及负载电流的相位关系的步骤为：

将所述第一电平信号接入第二D触发器的数据信号端，第二电平信号接入第二D触发器的时钟信号端，当第二电平信号的上升沿来到之时，第二D触发器翻转到与第一电平信号相同的状态；

根据第二D触发器的输出结果判断负载电压及负载电流的相位关系，当负载电压与电流同相位时，此时第二D触发器的输出端为高电平，当负载电压相位超前负载电流相位时，此时第二D触发器的输出端为低电平。

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