CN102621369B - 基于电感等效串联电阻电位浮动的电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电子直流变换中利用电感等效串联电阻的电流检测电路。该电路主要包括电感(100)，RC网络(110)，放大电路(210)，电荷泵电路(220)，第一级差分电路(310)和第二级差分电路(320)。RC网络(110)将流经电感(100)的电流转化为电压信号输出到放大电路(210)；放大电路(210)对输入的电压信号进行放大并将放大后的信号输出给电荷泵电路(220)；通过电荷泵电路(220)使所述放大电路(210)与地平面隔离，从而达到电位浮动的功能；由第一级差分电路(310)和第二级差分电路(320)的共同作用，消除电荷泵电路(220)引入的导通电压差。本发明可用于在高压情况下对直流变换电路中的电感电流进行无损耗的检测。

Description

基于电感等效串联电阻电位浮动的电流检测电路

技术领域

本发明电子电路技术，特别涉及电流检测电路，可用于电力电子系统对电流的检测。

背景技术

电力电子系统中在实施电流型控制、过流保护、系统并联均流等技术时，都必须要用到电感电流的检测技术。

常见的电感电流检测方法有串联检流电阻法、电流互感器法、绝缘栅极晶体管MOSFET元胞检测法以及电感等效串联电阻检测法。

串联检流电阻法，如图1所示，它是将检流电阻1与负载2串联，根据欧姆定律，只要检测检流电阻1两端的电压即可确定被检测的电流。该方法的缺陷是损耗太大，特别是在大电流检测中，损耗不容忽视。

电流互感器法，是依据电磁感应原理，利用互感器进行电流检测，将一次绕组串在需要测量电流的线路中，将二次绕组串接在测量仪表和保护回路中。电流互感器可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流。该方法的缺陷是不能检测直流电流。

绝缘栅极晶体管MOSFET元胞检测法，是在检测电路中的功率MOSFET旁并接一个检测MOSFET。该方法的缺陷是所能应用的频带宽度太窄，并且并接的检测MOSFET会对电路中原有的功率MOSFET带来很大的误差。

电感等效串联电阻检测法，如图2所示，该方法将流过电感的电流转化为电压信号，通过检测电压信号来得到电流值。由于电感等效串联电阻ESR的值非常小，需要用运算放大器将检测信号进行放大。由于受到运算放大器耐压的限制，导致该方法不能很好地应用于高压场合。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于电感等效串联电阻电位浮动的电流检测电路，以减小检测损耗和对被检测电路的影响，实现在高压场合下对直流电信号和交流电信号的精确检测。

为实现上述目的，本发明基于电感等效串联电阻的电流检测电路，包括电感，RC网络其特征在于：

RC网络的输出端连接有电位浮动的电压检测电路，用于检测RC网络中检测电容两端的电压差；该电位浮动的电压检测电路的输出端连接有差分比例运算电路，用于放大电压检测电路的输出，并且使输出电压值的参考平面回归到以地平面为基准；所述的电位浮动的电压检测电路包括：放大电路与电荷泵电路；放大电路的输入端与RC网络中的检测电容并联；电荷泵电路的输入端与放大电路的输出串联连接；

所述的差分比例运算电路包括：第一级差分电路与第二级差分电路；第一级差分电路的输入端与电荷泵电路的输出端相连；第一级差分电路的输出端与第二级差分电路的输入端相连；第二级差分电路的输出端作为整个检测电路的输出。

本发明由于由于采用了电力电子系统中原有的功率电感对电流进行测量，充分利用了电感的等效串联电阻，使得检测电路中未加入新的损耗，从而达到无损耗测量的目的；同时由于本发明在电压检测回路中加入了电荷泵电路，使电压检测回路的电压浮动，因此该电路可以很好地应用在高压场合；此外由于本发明加入了差分比例运算电路，消除了电荷泵电路中的电压降对输出电压的影响，并且使输出电压回到以地平面为基准。

附图说明

图1为现有应用检流电阻的电流检测电路结构框图；

图2为现有的应用电感等效串联电阻的电流检测电路结构框图；

图3为本发明的电路结构框图；

图4为本发明的电路结构原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图，利用具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例通过对RC网络中检测电容与匹配电阻的匹配，使得电容两端的电压差与流经电感的电流成线性关系，利用该特性进行电流检测。

参照图3，本发明的电流检测电路，包括电感100、RC网络110、电位浮动的电压检测电路200和差分比例运算电路300。其中电压检测电路200包括放大电路210和电荷泵电路220，差分比例运算电路300包括第一级差分电路310和第二级差分电路320。该RC网络110的输入端并联在电感100的两端，输出端与放大电路210的输入端相连，该放大电路210的输出端与电荷泵电路220的输入端相连，该电荷泵电路220的输出端与第一级差分电路310的输入端相连，该第一级差分电路310的输出端与第二级差分电路320的输入端相连，该第二级差分电路320的输出端作为整个检测电路的输出。RC网络110将流经电感的电流转化为电压信号，输出到放大电路210；放大电路210对输入的电压信号进行放大，并将放大后的信号输出给电荷泵电路220；在电感浮动电压为高电位时，通过电荷泵电路220使放大电路210与差分比例运算电路300隔离，放大电路210以电感100的浮动电压为参考平面，保证运算放大器211不被击穿；在电感浮动电压为低电位时，通过电荷泵电路220使放大电路210的输出传到差分比例运算电路300；由第一级差分电路310和第二级差分电路320的共同作用，消除电荷泵电路中引入的导通电压差，并使输出电压恢复到以地平面为参考平面。

参照图4，本发明的整个电路的连接结构如下：

所述RC网络110，包括匹配电阻111与检测电容112；匹配电阻111与检测电容112串联连接，检测电容112的两端作为RC网络的输出与放大电路210的输入相连，检测电容112与电感相连的一端电位浮动，与匹配电阻相连的另一端电位不浮动。

所述放大电路210，包括运算放大器211、第一电阻212、第二电阻213和充电电容214；运算放大器211的同相输入端与检测电容112的电位非浮动端相连，反相输入端通过第二电阻213与检测电容112的电位浮动端相连，输出端与电荷泵电路相连，同时运算放大器211的输出信号通过第一电阻212反馈到该运算放大器211的反相输入端，该运算放大器以同相放大的形式对输入信号进行放大；充电电容214作为运算放大器211的电源，连接在运算放大器211的正电源端与该运算放大器211的负电源端之间；由于充电电容214的电位与检测电容112的浮动电压一起浮动，保证放大电路210参考平面电位浮动。

所述电荷泵电路220，包括第一二极管221、第二二极管222和第三二极管223；第一二极管221的阴极与运算放大器211的输出端相连，第二二极管222的阴极与检测电容112的电位浮动端相连，第三二极管223的阴极与运算放大器211的正电源端相连；由于二极管的单相导通的特性，使得只有当二极管的阳极电压高于阴极时，二极管才能导通，即当检测电容112的浮动电压为高电位时，3个二极管都截止，只有当检测电容112的浮动电压低于二极管的阳极时，3个二极管才能导通。

所述第一级差分电路310，包括第一级运算放大器313、第一分压电阻311、第二分压电阻312、第三电阻314和第四电阻315；第一分压电阻311连接于第一级运算放大器313的同相输入端与电源326的阳极之间，第二分压电阻312连接于第一级运算放大器313的同相输入端与公共地之间，通过第一分压电阻311和第二分压电阻312组成的分压电路，使电荷泵电路220中的第二二极管222获得高于电荷泵电路管压降的电压，使得第二二极管222在电感浮动电压为高电位时截止，在电感浮动电压为低电位时导通。该第一级运算放大器313，它的同相输入端与第二二极管222的阳极相连，反相输入端通过第三电阻314与公共地相连，输出端与第二级差分电路324的输入端相连；第四电阻315连接于该第一级运算放大器313的反相输入端与输出端之间。

所述第二级差分电路320，包括第二级运算放大器323、第三分压电阻321、第四分压电阻322、第五电阻324和第六电阻325；第三分压电阻321连接于第二级运算放大器323的同相输入端与电源326的阳极之间，第四分压电阻322连接在第二级运算放大器323的同相输入端与公共地之间，通过第三分压电阻321和第四分压电阻322组成的分压电路，使电荷泵电路220中的第一二极管221获得高于电荷泵电路管压降的电压，使得第一二极管222在电感浮动电压为高电位时截止，在电感浮动电压为低电位时导通。该第二级运算放大器323的同相输入端与第一二极管222的阳极相连，反相输入端通过第五电阻324与第一级运算放大器313的输出相连，输出端作为整个检测电路的输出；第六电阻325连接于所述第二级运算放大器323的反相输入端与输出端之间。

由第一级差分电路310和第二级差分电路320的共同作用，消除电荷泵电路中引入的导通电压差，并使输出电压恢复到以地平面为参考平面。

本发明的性能可通过以下理论分析进一步证明：

由于电感100和RC网络110并联，利用并联两端的电压相等，在S域中可得到如下公式

(sL+R_ESR)I_S-Li(0_)＝R₁₁₁[sCV(c)-Cv(0)]+V(c)    (1)

其中R_ESR为电感的等效串联电阻ESR，I_S为流经电感的电流，i(0_)为电感的初始电流，v(0-)为电容的初始电压，V(c)为电容两端的电压，R₁₁₁为匹配电阻，L和C分别为电感和电容的值。

上式等号左边为电感100两端的电压，等号右边为RC网络110两端的电压。对公式(1)进一步化简可得：

$V\left(c\right)=\frac{\mathrm{SL}+R_{\mathrm{ESR}}}{\mathrm{sC}{R}_{111}+1}{I}_S+\frac{{\mathrm{CR}}_{111}v\left(0_{-}\right)-\mathrm{Li}\left(0_{-}\right)}{s{\mathrm{CR}}_{111}+1}---\left(2\right)$

由于公式(2)中的第二项为自由分量，按指数规律衰减，最终趋于零，所以只需分析公式中的第一项，即稳态分量对稳态分量再进行变换，可得

$V\left(c\right)=\frac{\mathrm{sL}+R_{\mathrm{ESR}}}{s{\mathrm{CR}}_{111}+1}{I}_S=\frac{s\frac{L}{R_{\mathrm{ESR}}}+1}{{\mathrm{sCR}}_{111}+1}{R}_{\mathrm{ESR}}{I}_S---\left(3\right)$

对检测电容112与匹配电阻111进行相应的匹配，使可得

V(c)＝R_ESRI_S              (4)

即，检测电容112两端的电压V(c)等于电感等效串联电阻R_ESR与流过电感电流I_S的乘积。所以，流经电感100的电流与检测电容112两端的电压差成正比，即所述检测电容112两端的电压差可作为电流检测电路的测量信号。

由同相比例放大器的放大原理可知，运算放大器211的输出电压为

$V_{211}=(1+\frac{R_{212}}{R_{213}})V\left(c\right)+V_{112}---\left(5\right)$

V₁₁₂为检测电容112电位浮动端的电压，V₂₁₁为运算放大器211的输出电压，V(c)为检测电容112两端的电压差，R₂₁₂为第一电阻的阻值，R₂₁₃为第二电阻的阻值。

当检测电容112电位浮动端的电压为高电压时，3个二极管221，222，223阴极的电压高于阳极，二极管截止，放大电路210的输出信号无法输出给差分比例运算电路300，此时可用放大电路210的输出作为电流检测结果。

当检测电容112电位浮动端的电压为低电压时，3个二极管221，222，223阳极的电压高于阴极，二极管导通，放大电路210的输出信号输出给差分比例运算电路300。

由公式(5)可知，由于该输出电压不是以地平面为参考平面，若要求输出电压以地平面为参考平面，需要通过差分比例运算电路300对所得结果做进一步处理。

此时，第一级运算放大器313的同相输入端的输入电压为

V₃₁₃＝V₁₁₂+ΔV                (6)

V₁₁₂为检测电容112电位浮动端的电压，ΔV为二极管的导通压降。

第一级运算放大器313的输出电压为

$V_{\mathrm{out}1}=(1+\frac{R_{315}}{R_{314}})V_{313}---\left(7\right)$

第二级运算放大器323的同相输入端的输入电压为

V₃₂₃＝V₂₁₁+ΔV                (8)

因此第二级运算放大器的输出电压为

$V_{\mathrm{out}}=-(\frac{R_{325}{R}_{315}}{R_{324}{R}_{314}}+\frac{R_{325}}{R_{324}})V_{313}+(1+\frac{R_{325}}{R_{324}})V_{323}---\left(9\right)$

令R₃₂₅R₃₁₅＝R₃₂₄R₃₁₄，可得

$V_{\mathrm{out}}=(1+\frac{R_{325}}{R_{324}})(V_{323}-V_{313})---\left(10\right)$

将公式(6)和(8)代人公式(10)得

$V_{\mathrm{out}}=(1+\frac{R_{325}}{R_{324}})(V_{211}-V_{112})---\left(11\right)$

将公式(5)代入公式(11)可得

$V_{\mathrm{out}}=(1+\frac{R_{325}}{R_{324}})(1+\frac{R_{212}}{R_{213}})V\left(c\right)---\left(12\right)$

将公式(4)代入(12)得

$V_{\mathrm{out}}=(1+\frac{R_{325}}{R_{324}})(1+\frac{R_{212}}{R_{213}})R_{\mathrm{ESR}}{I}_S---\left(13\right)$

由上式可看出，差分运算电路的输出与流过功率电感的电流成正比，且该输出以地平面为参考平面。

Claims (3)

1.一种基于电感等效串联电阻的电流检测电路，包括电感（100），RC网络（110）其特征在于：

RC网络（110）的输出端连接有电位浮动的电压检测电路（200），用于检测RC网络（110）中检测电容两端的电压差；该电位浮动的电压检测电路（200）的输出端连接有差分比例运算电路（300），用于放大电压检测电路（200）的输出，并且使输出电压值的参考平面恢复到以地平面为基准；

所述的电位浮动的电压检测电路（200）包括：放大电路（210）与电荷泵电路（220）；放大电路（210）的输入端与RC网络中的检测电容并联；电荷泵电路（220）的输入端与放大电路（210）的输出串联连接；

所述的差分比例运算电路（300）包括：第一级差分电路（310）与第二级差分电路（320）；第一级差分电路（310）的输入端与电荷泵电路（220）的输出端相连；第一级差分电路（310）的输出端与第二级差分电路（320）的输入端相连；第二级差分电路（320）的输出端作为整个检测电路的输出；

所述RC网络（110）包括：匹配电阻（111）与检测电容（112），该匹配电阻（111）的一端与检测电容（112）连接，另一端与电感（100）的电源端连接，检测电容（112）的另一端与电感（100）的负载端相连，检测电容两端又作为RC网络的输出端与放大电路（210）相连；

所述放大电路（210）包括：运算放大器（211）、第一电阻（212）、第二电阻（213）和充电电容（214）；运算放大器（211）的同相输入端与检测电容（112）的电位非浮动端相连，反相输入端通过第二电阻（213）与检测电容（112）的电位浮动端相连，输出端与电荷泵电路相连；第一电阻（212）连接在运算放大器（211）的输出端与反相输入端之间；充电电容（214）的一端与运算放大器（211）的正电源端相连，另一端与运算放大器（211）的负电源端相连；

所述电荷泵电路（220）包括：第一二极管（221）、第二二极管（222）、第三二极管（223）；该第一二极管（221）的阴极与所述运算放大器（211）的输出端相连；第二二极管（222）的阴极与所述检测电容（112）的电位浮动端相连；第三二极管（223）的阴极与所述运算放大器（211）的正电源端相连，通过第一二极管（221）、第二二极管（222）、第三二极管（223）的作用，使所述电压检测电路（200）与地平面隔离，从而达到电位浮动的功能。

2.如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述第一级差分电路（310）包括：第一级运算放大器（313）、第一分压电阻（311）、第二分压电阻（312）、第三电阻（314）和第四电阻（315）；第一级运算放大器（313）的同相输入端与第二二极管（222）的阳极相连，反相输入端通过第三电阻（314）与公共地相连，输出端与第二级差分电路（320）的输入端相连；第四电阻（315）连接于所述第一级运算放大器（313）的反相输入端与输出端之间；第一分压电阻（311）连接于所述第一级运算放大器（313）的同相输入端与电源（326）的阳极之间；第二分压电阻（312）连接于第一级运算放大器（313）的同相输入端与公共地之间，通过第一分压电阻（311）和第二分压电阻（312）的作用，使电荷泵电路（220）中的第二极管（222）获得导通电压。

3.如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述第二级差分电路（320）包括：第二级运算放大器（323）、第三分压电阻（321）、第四分压电阻（322）、第五电阻（324）和第六电阻（325）；第二级运算放大器（323）的同相输入端与第一二极管（221）的阳极相连，反相输入端通过第五电阻（324）与第一级运算放大器（313）的输出相连，输出端作为整个检测电路的输出；第六电阻（325）连接于所述第二级运算放大器（323）的反相输入端与输出端之间；第三分压电阻（321）连接于所述第二级运算放大器（323）的同相输入端与电源（326）的阳极之间；第四分压电阻（322）连接在第二级运算放大器（323）的同相输入端与公共地之间，通过第一分压电阻（321）和第二分压电阻（322）的作用，使电荷泵电路（220）中的第一二极管（221）获得导通电压。