CN104009667A

CN104009667A - 一种低成本电感电流检测方法

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Publication number: CN104009667A
Application number: CN201410269618.8A
Authority: CN
Inventors: 胡海兵
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2034-06-16
Also published as: CN104009667B

Abstract

本发明公开了一种低成本电感电流检测方法，主要用于逆变电源。其结构包括电感、采样电路、电感电流过零点检测电路以及复位电路。其中采样电路由差动放大电路、反相积分器组成；电感电流过零点检测电路由采样电阻、差动放大电路和比较逻辑电路组成，复位电路由复位开关组成。该方法能够准确地检测出电感电流而且具有损耗小、成本低等优点。

Description

一种低成本电感电流检测方法

技术领域：

本发明涉及电子电路领域，特别涉及电流检测电路，具体来说是一种电感电流检测电路。

背景技术：

逆变电源中需要采样电感电流来对电路进行控制或者保护。一般逆变电源中电感电流的检测都是使用霍尔传感器或者采样电阻。霍尔传感器成本高，特别是在输出功率较大场合；采样电阻会带来损耗，通常需要价格昂贵的高共模抑制比的差分运算放大器进行电阻上微小信号的拾取，存在可靠性等问题。

发明内容：

本发明针对以上两种电感电流检测方法存在的问题，提出一种低成本、低损耗的电感电流检测方法。本发明通过对电感辅助绕组的电压进行积分来得到电感电流，具有低成本、低损耗、体积小、易集成等优点。

为此，本发明采用以下技术方案：一种低成本电感电流检测电路，包括一个电感、一个采样电路、一个电感电流过零点检测电路和一个积分复位电路，其特征在于所述电感由功率线圈、辅助线圈和磁芯构成，所述电感辅助线圈的匝数远小于电感功率线圈的匝数，功率线圈与辅助线圈紧密耦合；将电感辅助线圈的输出接至差动放大电路的反相端进行放大；将差动放大电路的输出接至反相积分电路，将此电压信号进行积分，从而得到电感电流；电感电流过零点检测电路包括一个采样电阻、一个差动放大电路、比较逻辑电路，其特征在于采样电阻串接在逆变器的桥臂上采样桥臂上的电流，将采样电阻两端的输出电压接至差动放大电路进行放大，差动放大电路的输出送入比较逻辑电路得到电流过零点，该电流过零点作为复位信号在电流过零点给复位单元的积分电容进行复位，消除积分累积误差。

工作原理是：对于一个电感，其电压电流满足如下关系：

L = \frac{di}{dt} V

则有：

i = \frac{1}{L} &Integral; Vdt

采用一个电感辅助线圈，辅助线圈与电感功率线圈紧密耦合，辅助线圈两端的电压与电感功率线圈的两端电压幅值成匝数比关系，波形相同；将辅助线圈两端电压送入差动放大电路进行反相放大，放大结果输入积分电路中进行积分运算，可以得到与电感电流大小成比例且无相位差的电压波形；其中由于积分电路容易累积误差，所以电感电流过零点检测电路检测电感电流的过零点，在电感电流的过零点处通过复位电路对积分电容进行复位，从而保证本电路能够长时间有效运行。

附图说明：

下面集合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一种低成本电感电流检测电路的电路框图；

图2是本发明的电感电流采样电路和复位电路示意图；

图3是本发明的电感电流过零点检测电路示意图；

图4是103部分C、D点的电压波形示意图；

图5是103部分F、G、H点电压波形示意图。

图6是一个实例的Saber仿真结果。

具体实施方式

图2是本发明的电感电流采样电路和复位电路示意图。电感L1即001部分包括电感功率线圈01，电感辅助线圈02以及磁芯03组成，所述功率线圈与辅助线圈需紧密耦合

电感电流采样电路由002和003组成。002部分为一个差动放大电路，包括第一电阻R01，第二电阻R02，第三电阻R03，第四电阻R04以及集成运算放大器IC01。辅助线圈的同名端通过第一电阻R01送入集成运算放大器IC01的反相输入端，该反相输入端还通过第三电阻R03接至参考地；辅助线圈的异名端通过第二电阻R02送入集成运算放大器IC01的同相输入端，同相输入端通过第四电阻R04接至集成运算放大器IC01的输出端。

003部分为一个反相积分器，包括第五电阻R05，第六电阻R06，第一电容C01以及集成运算放大器IC02组成。IC01的输出端通过第五电阻R05接至集成运算放大器IC02的反相端，该反相输入端还通过第一电容C01接至IC02的输出端，IC02的同相端通过第六电阻R06接至参考地。

电感电流过零点检测电路参照图3，101部分为一个采样电阻，包括以第一采样电阻Rs，该第一电阻串联在主电路桥臂上，从而得到第一采样电阻两端的电压为VRs。

102部分为差动运放电路，包括第一电阻R11，第二电阻R12，第三电阻R13，第四电阻R14和一个集成运算放大器IC11。101部分的输出电压VRs通过第一电阻R11接至集成运算放大器IC11的同相输入端，同时该同相输入端通过第二电阻R12接至参考地，反相输入端通过第三电阻R13接至参考地，同时通过第四电阻R14接至IC11的输出端。

103部分为比较逻辑单元，包括两个迟滞比较器，一个单门限比较器和两个与门组成，具体由第一电阻R15，第二电阻R16，第三电阻R17，第四电阻R18，第五电阻R19，第六电阻R20，第七电阻R21，第八电阻R22，第一电容C11，第一集成电压比较器IC12，第二集成电压比较器IC13，第三集成电压比较器IC14，第一与门G11，第二与门G12，第三与门G13。102部分差动放大输出电压通过第三电阻R17接至第一集成电压比较器IC12的反相输入端，参考电压Vref通过第一电阻接至IC12的同相输入端，同时此同相输入端通过第二电阻接至IC12的输出端；102部分差动放大输出电压通过第四电阻R18接至第二集成电压比较器IC13的同相输入端，此同相输入端同时通过第五电阻R19接至IC13的输出端，参考电压-Vref通过第六电阻R20接至IC13的反相输入端；IC12的输出电平和IC13的输出电平接至第一与门的两个输入端；Vgs为与第一采样电阻Rs串联的开关管的驱动信号，Vgs通过第七电阻R21接至第三集成电压比较器IC14的同相输入端，同时该同相输入端通过第一电容C11接至参考地，参考电压Vref通过第八电阻R22接至IC14的反相输入端，IC14的输出和Vgs同时送入第二与门G12，G11的输出和G12的输出接至第三与门G13的输入端，G13的输出就是电感电流过零点信号，即给004部分复位开关的复位信号。

复位电路如图2的201部分，包括第一开关S1和控制S1开关闭合的复位信号。其中第一开关S1与003部分第一电容并联。

采样电路具体工作原理参照图2说明：

电感L1的功率线圈匝数为N1，辅助线圈匝数为N2，功率线圈流过电流其两端的电压为V1，则辅助线圈两端的电压为：

V 2 = \frac{N 2}{N 1} V 1

经过差动放大电路反相放大，其中R01＝R02，R03＝R04，得到A点电压为：

VA = \frac{R 03}{R 01} V 2

反相积分电路对VA进行积分，得到i_cs：

i_{cs} = \frac{1}{R 05 \cdot C 01} &Integral; VA = \frac{N 2 \cdot R 03}{N 1 \cdot R 01 \cdot R 05 \cdot C 01} &Integral; V 1

又：

i_{L} = \frac{1}{L_{1}} {&Integral; V}_{1} dt

可得：

i_{CS} = \frac{L_{1} \cdot N 2 \cdot R 03}{N 1 \cdot R 01 \cdot R 05 \cdot C 01} i_{L}

i_cs的大小与电感电流大小成比例，且无相位差。

电感电流过零点检测电路具体工作原理参照图3说明：

由于开关管电流为0时电感电流不一定为0，因此电感电流过零点满足两个条件：第一，开关管电流为0；第二，同时对应开关管的驱动为高。

将采样电阻Rs串联在逆变器其中一个桥臂中，Rs两端的电压为：

VRs＝i_s·Rs，其中i_s为流过该桥臂上的开关管的电流。

VRs送入差动放大电路进行同相放大，R11＝R13，R12＝R14，得到B点电压：

VB = \frac{R 12}{R 11} VRs

将B点电压送入两个迟滞比较器，C点、D点及E点电平的特性如图4所示，其中V1、V2、V3及V4的值分别为：

V 1 = \frac{R 16}{R 15 + R 16} V_{ref} + \frac{R 15}{R 15 + R 16} V_{L}

V 2 = \frac{R 16}{R 15 + R 16} V_{ref} + \frac{R 15}{R 15 + R 16} V_{H}

V 3 = - (1 + \frac{R 18}{R 19}) V_{ref} - \frac{R 18}{R 19} V_{H}

V 4 = - (1 + \frac{R 18}{R 19}) V_{ref} - \frac{R 18}{R 19} V_{L}

将VC和VD送入与门的两个输入端，则VB的大小为0时，E点为高电平。

Vgs为与采样电阻Rs串联的开关管的驱动信号，为消除开关管开通延时的影响，Vgs经过RC延迟送入单门限比较器，得到G点的信号与Vgs延迟一定相位，将G点的信号与Vgs送入与门得到H点信号，相当于在Vgs转为高电平时延时一定相位，而变为低电平时却没有延迟，如图5所示。

将E点电平和H点电平送入与门G13，当两者同时为高，就是电感电流过零点。G13的输出即是复位信号。在电感电流过零点对第一电容C1进行复位，消除积分累计误差，保证此电路的长时间运行。

下列参数是一个仿真实例：

功率线圈01：80匝，电感量16mH；辅助线圈02：2匝，电感量10μH。仿真时，设定功率线圈与辅助线圈的耦合系数为1。差分放大电路002的参数为：R01＝R02＝R03＝R04＝10kΩ，反相积分电路003的参数为：R05＝R06＝10kΩ，C01＝100nF。101部分采样电阻Rs＝0.1Ω，差分放大电路102的参数为：R11＝R13＝10kΩ，R12＝R14＝51kΩ；比较逻辑电路103的参数为：R15＝R17＝R18＝R20＝10kΩ，R16＝R18＝200MΩ，R20＝10kΩ，R21＝10kΩ，C11＝1nF，Vref＝0.1V。

图6是此实例Saber仿真结果，其中第一曲线表示每一个电感电流过零点的复位信号，第二曲线表示真实的电感电流iL，第三曲线表示用该采样方法得到的电感电流采样值i_cs。可见，i_cs与电感电流同相位，且大小成比例关系，电感电流过零点检测电路能够检测到每一个电感电流过零点，使得电路能够有效运行。

Claims

1.一种低成本电感电流检测方法，其特征包括一个电感、一个采样电路。所述电感(L1)其特征在于由功率线圈(01)、辅助线圈(02)和磁芯(03)构成，所述辅助绕组线圈的匝数远小于电感功率线圈的匝数，并且功率线圈(01)与辅助线圈(02)紧密耦合。所述采样电路其特征在于由差动运放电路(002)、反相积分器(003)组成，将辅助线圈(02)的输出接至差动放大电路(002)放大，再将差动放大电路(002)的输出接至反相积分器(003)进行积分得到电感电流采样值i_cs。

2.根据权利要求(1)的电感电流检测方法，还包括：电感电流过零点检测电路。所述电感电流过零点检测电路其特征在于由一个采样电阻(Rs)、一个差动放大电路(102)、比较逻辑电路组成(103)组成，所述采样电阻串接在逆变电源其中一个桥臂中，差动放大电路(102)对采样电阻两端电压进行放大，差动放大电路(102)的输出接至比较逻辑电路(103)得到过零点信号。

3.根据权利要求(1)的电感电流检测方法，还包括积分复位电路。所述积分复位电路由复位开关(S1)和复位信号组成，所述复位开关(S1)与反相积分电路(003)的第一电容并联，所述复位信号是电感电流过零点检测电路输出的过零点信号。