CN107817379B - 一种整流器的升压电感电流检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种整流器的升压电感电流检测系统，包括：电流检测单元、多个模拟单元和多个处理单元；模拟单元和处理单元的数量与整流器的交流电源的相的数量相关；电流检测单元包括多个输入端和多个输出端，每一个输入端与整流器的交流电源的一个相连接，每一个输出端与一个模拟单元的输入端相连；模拟单元的输出端与对应的处理单元相连；电流检测单元将交流电源进行交直流转换，检测并分别输出反映交流电源的每一个相的升压电感电流的电压脉冲；模拟单元将检测的电压脉冲进行滤波放大；处理单元对滤波放大的电压脉冲进行模数转换，获取交流电源的一个相的升压电感电流的极性和波形。本发明电路结构简单，功能齐全，控制容易，成本低廉。

Description

一种整流器的升压电感电流检测系统

技术领域

本发明涉及一种交流电源供电的电力电子变换器网侧电流的测量领域，特别是涉及一种整流器的升压电感电流检测系统。

背景技术

对于单相/三相PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)整流器，为了实现网侧单位功率因数或功率因数可调，需要实时测量网侧电流，即升压电感电流。其中，升压电感电流为交流电流，包括工频基波电流、高次和/或低次谐波电流成分。

目前，对于交流电流的检测可以通过以下器件进行直接测量，例如：霍尔电流传感器、、电流互感器、线性隔离放大器或多光耦检测器。除了直接测量外，交流电流的检测可以采用以下间接测量方法：1)通过检测IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)发射极的分流电阻压降计算交流电流；2)通过脉冲电流变压器检测IGBT发射极的电流计算交流电流；3)通过检测直流负极母线电阻压降计算交流电流。

但是，采用上述的器件或者方法均可实现交流电流的检测，但是，采用不同器件或者方法，适用范围有所不同。而且，采用上述的器件或者方法对交流电流的检测，还有很多缺陷：1)需要增加额外的工作电源；2)需要增加复杂的电路；3)成本较高；4)检测精度较差；5)检测速度较慢等等。

因此，如何通过简单的电路结构来实现对整流器的升压电感电流的精确检测是本领域技术人员所亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种整流器的升压电感电流检测系统，用于解决现有技术中检测整流器的升压电感电流成本过高、电流复杂，且检测精度较差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种整流器的升压电感电流检测系统，包括：电流检测单元、多个模拟单元和多个处理单元；所述模拟单元和所述处理单元的数量与所述整流器的交流电源的相的数量相关；所述电流检测单元包括多个输入端和多个输出端，每一个输入端与所述整流器的交流电源的一个相连接，每一个输出端与一个所述模拟单元的输入端相连；所述模拟单元的输出端与对应的所述处理单元相连；所述电流检测单元用于将交流电源进行交直流转换，检测并分别输出反映交流电源的每一个相的升压电感电流的电压脉冲；所述模拟单元用于将检测的电压脉冲进行滤波放大；所述处理单元用于对滤波放大的电压脉冲进行模数转换，获取交流电源的一个相的升压电感电流的极性和波形。

于本发明的一实施例中，所述电流检测单元包括一个电解电容、多个包括第一分离逆导型功率器件、第二分离逆导型功率器件和一个分流电阻的桥臂和多个升压电感；其中，所述升压电感的第一端为所述电流检测单元的一个输入端，与交流电源的一个相连接；第二端与对应的桥臂连接；桥臂的第一分离逆导型功率器件和第二分离逆导型功率器件串联，且第一分离逆导型功率器件和第二分离逆导型功率器件相连的点为公共连接点，公共连接点与对应的所述升压电感的第二端连接；分流电阻与第二分离逆导型功率器件的发射级相连，且相连的位置作为所述电流检测单元的一个输出端；电解电容的阳极与多个桥臂的第一分离逆导型功率器件的集电极相连，形成直流母线正极；阴极与多个桥臂的分流电阻的另一端相连，形成直流母线的负极。

于本发明的一实施例中，分流电阻采用无感电阻；第一分离逆导型功率器件和第二分离逆导型功率器件采用IGBT。

于本发明的一实施例中，所述模拟单元包括误差放大滤波电路和电平提升电路；所述误差放大滤波电路与所述电流检测单元的一个输出端连接，用于对电压脉冲进行求取误差、差动放大和滤波，获得双极性电压脉冲；所述电平提升电路与所述误差放大电路相连，用于对双极性电压脉冲进行电平提升，得到单极性电压脉冲。

于本发明的一实施例中，所述电平提升电路中，将双极性电压脉冲的电平提升为整流器的控制电路的工作电压的一半。

于本发明的一实施例中，所述模拟单元还包括与所述电平提升电路相连的正负限幅电路，用于对单极性电压脉冲进行正负限幅。

于本发明的一实施例中，所述处理单元包括：驱动脉冲子单元，用于产生原始的PWM驱动脉冲，并提供脉冲上升沿信息；与所述驱动脉冲子单元相连的延时子单元，用于根据脉冲上升沿信息启动延时；与所述延时子单元相连的模数转换子单元，其还与所述模拟单元的输出端连接，用于对单极性电压脉冲进行模数转换，得到单极性电压脉冲的数字量；数字滤波子单元，与所述模数转换子单元相连，用于对单极性电压脉冲的数字量进行数字滤波；极性判断子单元，与所述数字滤波子单元相连，用于对滤波后的单极性电压脉冲的数字量进行分析判断，获取交流电源的一个相的升压电感电流的极性；插值拟合子单元，与所述数字滤波子单元相连，用对单极性电压脉冲的数字量进行插值和拟合处理，得到连续的交流电源的一个相的升压电感电流的波形。

于本发明的一实施例中，所述延时子单元启动的延时时间为所述电流检测单元的分离逆导型功率器件的开通延时时间和电流上升时间的总和。

于本发明的一实施例中，所述数字滤波子单元采用加权平均滤波算法对单极性电压脉冲的数字量进行数字滤波。

如上所述，本发明的一种整流器的升压电感电流检测系统适应变频空调行业整流器技术的发展趋势，是一种低成本、响应快、线性度好的间接整流器升压电感电流检测方案，具有以下有益效果：电路结构简单，分流电阻选型方便，成本低廉；模拟单元容易实现，检测精度高；处理单元容易编制，波形合成精度高，极性判断准确。并且本发明易于调试和控制。

附图说明

图1显示为本发明实施例公开的一种整流器的升压电感电流检测系统的原理结构示意图。

元件标号说明

100 电流检测单元

200 模拟单元

210 误差放大滤波电路

220 电平提升电路

230 正负限幅电路

300 处理单元

310 驱动脉冲子单元

320 延时子单元

330 模数转换子单元

340 数字滤波子单元

350 极性判断子单元

360 插值拟合子单元

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅附图。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的一种整流器的升压电感电流检测系统，是一种桥臂下管串联分流电阻的整流器的升压电感电流检测方法，采用必要的模拟单元和灵活的处理单元。作为硬件电路部分的电流检测单元采用分离功率器件构成的H桥结构，下桥臂的功率器件的发射极串联一分流电阻，检测出分流电阻的电压脉冲，该分流电阻的电压与交流电源的相的升压电感电流相关；模拟单元负责将整流器桥臂下管串联分流电阻的电压脉冲经过滤波、差动放大、电平提升和限幅，以电压信号形式得到干净的电流脉冲信号，即该电压脉冲与升压电感电流脉冲成线性关系。处理单元对电压信号先后进行模数转换、数字滤波和波形合成等环节得到数字化的电感电流波形，其中模数转换的触发还需要使用PWM脉冲发生程序和延时程序，从而最终获取与整流器交流电源的相的升压电感电流的极性和波形。

实施例

本实施例公开了一种整流器的升压电感电流检测系统。其中，在本实施例中，整流器的交流电源采用三相交流电，且其三相分别为A相、B相和C相；并且，本实施例的整流器的升压电感电流检测系统的输入交流电压范围200V—400V、输出直流电压650—750V、额定输入功率为7.0kW。

如图1所示，本实施例的整流器的升压电感电流检测系统包括：电流检测单元100、三个模拟单元200和三个处理单元300。

其中，电流检测单元100包括一个电解电容E1，与三相交流电源相对应的三个升压电感L1、L2和L3，与三相交流电相对应的三个桥臂。且每一个桥臂包括第一分离逆导型功率器件、第二分离逆导型功率器件和分流电阻。在本实施例中，第一分离逆导型功率器件和第二分离逆导型功率器件优选采用IGBT；分流电阻优选采用无感功率分流电阻。电流检测单元100用于将三相交流电源进行交直流转换，检测并分别输出反映交流电源的每一个相的升压电感电流的电压脉冲。

如图1所示，电流检测单元100有三个输入端和三个输出端。其中，升压电感L1、L2和L3的第一端为输入端，其分别与三相交流电源的A相u_A、B相u_B和C相u_C连接。

第一分离逆导型功率器件(FWD1和S1)、第四分离逆导型功率器件(FWD4和S4)和第一分流电阻R1相互串联，构成与交流电源的A相相对应的第一桥臂，第一分离逆导型功率器件(FWD1和S1)和第四分离逆导型功率器件(FWD4和S4)相串接的点为第一公共连接点a，第一公共连接点a与升压电感L1的第二端相连，第一分流电阻R1与第四分离逆导型功率器件(FWD4和S4)相连的位置d作为电流检测单元100的第一输出端；

第三分离逆导型功率器件(FWD3和S3)、第六分离逆导型功率器件(FWD6和S6)和第二分流电阻R2相互串联，构成与交流电源的B相相对应的第二桥臂，第三分离逆导型功率器件(FWD3和S3)和第六分离逆导型功率器件(FWD6和S6)相串接的点为第二公共连接点b，第二公共连接点b与升压电感L2的第二端相连；第二分流电阻R2与第六分离逆导型功率器件(FWD6和S6)相连的位置e作为电流检测单元100的第二输出端；

第五分离逆导型功率器件(FWD5和S5)、第二分离逆导型功率器件(FWD2和S2)和第三分流电阻R3相互串联，构成与交流电源的C相相对应的第三桥臂，第五分离逆导型功率器件(FWD5和S5)和第二分离逆导型功率器件(FWD2和S2)相串接的点为第三公共连接点c，第三公共连接点c与升压电感L3的第二端相连；第三分流电阻R3与第二分离逆导型功率器件(FWD2和S2)相连的位置e作为电流检测单元100的第三输出端；

第一电解电容E1的阳极分别与第一分离逆导型功率器件(FWD1和S1)、第三分离逆导型功率器件(FWD3和S3)、第五分离逆导型功率器件(FWD5和S5)的集电极相连形成直流母线正极p；第一电解电容E1的阴极分别与第一分流电阻R1的另一端、第二分流电阻R2的另一端、第三分流电阻R3的另一端相连，形成直流母线n。

在本实施例中，开关频率为40kHz。升压电感通过插件形式在板安装，且升压电感的取值为500μH。电解电容E1也是插件形式，但不在板安装，且电解电容E1采用6个电容来实现，每个电解电容为680μF/450V，6个电解电容分为相互串联的两组，每一组的三个电解电容再并联，得到等效电容的取值为1020μF。分离逆导型功率器件的型号为FGH40T120SMD，1200V，40A/100℃，TOP247封装。分流电阻R1、R2与R3均采用无感电阻，取值为4mΩ/2W。

三相PWN整流器正常工作，产生三相输入电流，即三相升压电感电流，该电流需要检测后供控制器使用，以便正确控制三相PWN整流器的工作。通过电流检测单元100，升压电感在正半周时，如果下管功率器件导通，则相应的分流电阻得到正的电压脉冲，测量该电压脉冲，可以近似得到在该开关周期内的升压电感电流取值，且在开关频率足够高的情况下，可以近似认为在该开关周期内，升压电感电流取值不变，为检测值。升压电感负在半周时，如果下管的续流二极管导通，则相应的分流电阻得到负的电压脉冲，测量该电压脉冲，可以近似得到在该开关周期内的升压电感电流取值，且在开关频率足够高的情况下，可以近似认为在该开关周期内，升压电感电流取值不变，为检测值。也就是说，电流检测单元100的每一个输出端输出的为可反映的三相交流电源的每一个相的升压电感电流的电压脉冲。

一个模拟单元200与电流检测单元100的一个输出端相连，用于将检测的电压脉冲进行滤波放大。本实施例的交流电源为三相交流电源，因此，三个模拟单元200分别对A相电压脉冲进行滤波放大处理，对B相电压脉冲进行滤波放大处理，对C相电压脉冲进行滤波放大处理。并且，三个模拟单元200的原理结构是完全相同的。因此，在图1中仅对针对A相的模拟单元200进行了详细标识，针对B相和针对C相的模拟单元的原理结构与针对A相的模拟单元的原理结构相同。只是，B相的模拟单元200的输入端连接在电流检测单元100的第二输出端e处；C相的模拟单元200的输入端连接在电流检测单元100的第三输出端f处。

由于针对A相、针对B相和针对C相的三个模拟单元200的原理结构是相同的，所以其对电压脉冲的模拟处理过程也是相同的，在本实施例中仅对A相的模拟单元200为例进行说明，B相的模拟单元和C相的模拟单元对电压脉冲的模拟处理过程是完全相同的。如图1所示，模拟单元200包括误差放大滤波电路210、电平提升电路220和正负限幅电路230；其中，

误差放大滤波电路210与电流检测单元100的输出端d连接，用于对A相的电压脉冲进行求取误差、差动放大和滤波，获得双极性电压脉冲；

电平提升电路220与误差放大电路210相连，用于对A相双极性电压脉冲进行电平提升，得到A相的单极性电压脉冲；

正负限幅电路230与电平提升电路220相连，用于对A相的单极性电压脉冲进行正负限幅。

误差放大滤波电路210对输入的反映A相的升压电感电流的电压波形进行求取误差、差动放大和浅度滤波，得到双极性电压脉冲波形，保持了双极性电压脉冲波形的完整性。电平提升电路220对输入的双极性电压脉冲进行电平提升，提升幅度为控制器工作电压的一半，得到单极性电压脉冲波形。正负限幅电路230对输入的单极性电压脉冲波形进行正负限幅，防止过压信号损坏后级控制器。

处理单元300与模拟单元200对应连接，用于对滤波放大的电压脉冲进行模数转换，获取与交流电源的相的升压电感电流的极性和波形。由于电流检测单元100所检测出的三个电压脉冲分别反映交流电源的A相的升压电感电流、交流电源的B相的升压电感电流和交流电源的C相的升压电感电流，因此，通过对电压脉冲的处理，可以最终获取与交流电源的A相的升压电感电流的极性和波形、交流电源的B相的升压电感电流的极性和波形、以及交流电源的C相的升压电感电流的极性和波形。并且，三个处理单元300的结构是完全相同的。因此，在图1中仅对针对A相的处理单元进行了详细标识，针对B相和针对C相的处理单元的原理结构与针对A相的处理单元的原理结构相同，只是B相的处理单元300是与B相的模拟单元200相连，C相的处理单元300是与C相的模拟单元相连。

由于针对A相、针对B相和针对C相的三个处理单元200的原理结构是相同的，所以其对单极性电压脉冲的处理过程也是相同的，在本实施例中仅对A相的处理单元200为例进行说明，B相的处理单元和C相的处理单元对电压脉冲的模拟处理过程是完全相同的。如图1所示，处理单元300包括：

驱动脉冲子单元310，用于产生原始的PWM驱动脉冲，并提供脉冲上升沿信息；

与驱动脉冲子单元310相连的延时子单元320，用于根据脉冲上升沿信息启动延时；

与延时子单元相连320的模数转换子单元330，其还与对应的模拟单元200的输出端(正负限幅电路230)连接，用于对单极性电压脉冲进行模数转换，得到单极性电压脉冲的数字量；

数字滤波子单元340，与模数转换子单元330相连，用于对单极性电压脉冲的数字量进行数字滤波；

极性判断子单元350，与数字滤波子单元340相连，用于对滤波后的单极性电压脉冲的数字量进行分析判断，获取交流电源的一个相的升压电感电流的极性；

插值拟合子单元360，与数字滤波子单元350相连，用对单极性电压脉冲的数字量进行插值和拟合处理，得到连续的交流电源的一个相的升压电感电流的波形。

驱动脉冲子单元320负责产生最原始的六路PWM驱动脉冲，提供脉冲上升沿信息。延时子单元320根据提供的脉冲上升沿信息，启动延时，其中，延时时间为功率器件的开通延时时间40ns和电流上升时间47ns之和87ns。模数转换子单元330对模拟单元200经过正负限幅电路230处理的单极性电压脉冲进行模数转换，得到单极性电压脉冲的数字量。进一步地，还可以执行多次模数转换，从而获得多个数字量，均存放在存储模块中。数字滤波子单元340对单极性电压脉冲的数字量进行数字滤波，如采用加权平均滤波算法。极性判断子单元350对采样和计算后的单极性电压脉冲数字量进行分析判断：大于平均值则输出正极性，小于平均值则输出负极性。插值拟合子单元360对单极性电压脉冲数字量进行插值和拟合，从而得到连续的升压电感电流波形，为后级PWM整流器控制算法使用。

需要说明的是，处理单元300的各个子单元均是利用处理器对模拟单元200输出的单极性电压脉冲进行处理的。并且，该处理器包括存储模块，处理单元300的各个子单元以软件程序的形式存储于存储模块中，通过运行存储模块中的软件程序从而实现处理单元300的功能。并且，处理单元300的模数转换子单元330和数字滤波子单元340在对单极性电压脉冲进行处理时，还可把处理的结果保存在存储模块中，以便于极性判断子单元350和插值拟合子单元360的最终的极性判断和波形拟合。

综上所述，本发明的一种整流器的升压电感电流检测系统适应变频空调行业整流器技术的发展趋势，是一种低成本、响应快、线性度好的间接整流器升压电感电流检测方案，具有以下有益效果：电路结构简单，分流电阻选型方便，成本低廉；模拟单元容易实现，检测精度高；处理单元容易编制，波形合成精度高，极性判断准确。并且本发明易于调试和控制。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种整流器的升压电感电流检测系统，其特征在于，包括：电流检测单元、多个模拟单元和多个处理单元；所述模拟单元和所述处理单元的数量与所述整流器的交流电源的相的数量相关；

所述电流检测单元包括多个输入端和多个输出端，每一个输入端与所述整流器的交流电源的一个相连接，每一个输出端与一个所述模拟单元的输入端相连；所述模拟单元的输出端与对应的所述处理单元相连；

所述电流检测单元用于将交流电源进行交直流转换，检测并分别输出反映交流电源的每一个相的升压电感电流的电压脉冲；所述电流检测单元包括一个电解电容、多个包括第一分离逆导型功率器件、第二分离逆导型功率器件和一个分流电阻的桥臂和多个升压电感，所述电解电容为多个电容分组串联再并联之后得到的等效电容，所述分流电阻采用无感电阻；

所述模拟单元用于将检测的电压脉冲进行滤波放大；所述模拟单元包括误差放大滤波电路、电平提升电路和正负限幅电路；所述误差放大滤波电路与所述电流检测单元的一个输出端连接，用于对电压脉冲进行求取误差、差动放大和滤波，获得双极性电压脉冲；所述电平提升电路与所述误差放大电路相连，用于对双极性电压脉冲进行电平提升，得到单极性电压脉冲；所述正负限幅电路与所述电平提升电路相连，用于对单极性电压脉冲进行正负限幅；

所述处理单元用于对滤波放大的电压脉冲进行模数转换，获取交流电源的一个相的升压电感电流的极性和波形；所述处理单元包括：驱动脉冲子单元，用于产生原始的PWM驱动脉冲，并提供脉冲上升沿信息；与所述驱动脉冲子单元相连的延时子单元，用于根据脉冲上升沿信息启动延时；与所述延时子单元相连的模数转换子单元，其还与所述模拟单元的输出端连接，用于对单极性电压脉冲进行模数转换，得到单极性电压脉冲的数字量；数字滤波子单元，与所述模数转换子单元相连，用于对单极性电压脉冲的数字量进行数字滤波；极性判断子单元，与所述数字滤波子单元相连，用于对滤波后的单极性电压脉冲的数字量进行分析判断，获取交流电源的一个相的升压电感电流的极性；插值拟合子单元，与所述数字滤波子单元相连，用对单极性电压脉冲的数字量进行插值和拟合处理，得到连续的交流电源的一个相的升压电感电流的波形。

2.根据权利要求1所述的整流器的升压电感电流检测系统，其特征在于：

所述升压电感的第一端为所述电流检测单元的一个输入端，与交流电源的一个相连接；第二端与对应的桥臂连接；

桥臂的第一分离逆导型功率器件和第二分离逆导型功率器件串联，且第一分离逆导型功率器件和第二分离逆导型功率器件相连的点为公共连接点，公共连接点与对应的所述升压电感的第二端连接；分流电阻与第二分离逆导型功率器件的发射级相连，且相连的位置作为所述电流检测单元的一个输出端；

所述电解电容的阳极与多个桥臂的第一分离逆导型功率器件的集电极相连，形成直流母线正极；阴极与多个桥臂的分流电阻的另一端相连，形成直流母线的负极。

3.根据权利要求2所述的整流器的升压电感电流检测系统，其特征在于：第一分离逆导型功率器件和第二分离逆导型功率器件采用IGBT。

4.根据权利要求1所述的整流器的升压电感电流检测系统，其特征在于：所述电平提升电路中，将双极性电压脉冲的电平提升为整流器的控制电路的工作电压的一半。

5.根据权利要求1所述的整流器的升压电感电流检测系统，其特征在于：所述延时子单元启动的延时时间为所述电流检测单元的分离逆导型功率器件的开通延时时间和电流上升时间的总和。

6.根据权利要求1所述的整流器的升压电感电流检测系统，其特征在于：所述数字滤波子单元采用加权平均滤波算法对单极性电压脉冲的数字量进行数字滤波。

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