CN109787490A - 电流测量电路 - Google Patents

Abstract

根据本发明，用于为用于控制电源转换器的电源开关的切换的控制器提供测量信号的电流测量电路包括用于感测表示通过电源转换器的第一电源开关的电流的第一双向电流的第一电流感测电路。第一电流感测电路适于提供指示第一双向电流的第一感测信号。电流测量电路还包括用于感测表示通过电源转换器的第二电源开关的电流的第二双向电流的第二电流感测电路。第二电流感测电路适于提供指示第二双向电流的第二感测信号。此外，电流测量电路包括适于基于第一感测信号、第二感测信号和表示电源转换器的输入电压的极性的极性信号来提供第一测量信号的切换电路，其中第一测量信号在第一时间间隔期间指示第一双向电流并在第三时间间隔期间指示第二双向电流。

Description

电流测量电路

技术领域

本发明涉及一种用于为用于控制电源转换器的电源开关的切换的控制器提供测量信号的电流测量电路，其包括用于感测表示通过电源转换器的第一电源开关的电流的第一双向电流的第一电流感测电路。第一电流感测电路适于提供指示第一双向电流的第一感测信号。电流测量电路还包括用于感测表示通过电源转换器的第二电源开关的电流的第二双向电流的第二电流感测电路。第二电流感测电路适于提供指示第二双向电流的第二感测信号。此外，电流测量电路包括适于基于第一感测信号、第二感测信号和表示电源转换器的输入电压的极性的极性信号来提供第一测量信号的切换电路。

此外，本发明涉及一种用于为用于控制电源转换器的电源开关的切换的控制器提供测量信号的方法。该方法包括以下步骤：

a）通过感测表示通过电源转换器的第一电源开关的电流的第一双向电流来提供第一感测信号；

b）通过感测表示通过电源转换器的第二电源开关的电流的第二双向电流来提供第二感测信号；和

c）基于第一感测信号、第二感测信号和表示电源转换器的输入电压的极性的极性信号来提供第一测量信号。

此外，本发明涉及电源转换器及用于其的控制装置，两者都包括所述电流测量电路。

背景技术

用于电流测量的电路广泛用于电源转换器中。通常，电流测量用于例如通过过电流保护来控制电源转换器并确保可靠的操作。

电源转换器的最新开发趋势对电流测量施加了新的要求。例如，电源转换器开发的一个趋势是零电压切换。零电压切换被认为由于降低了电源开关的切换损耗而提高了电源转换器的效率。此外，零电压切换允许增加切换频率而不会过度损害效率。增加的切换频率继而允许电源转换器的更小且更具成本效益的电感器。然而，切换频率越高，通过电源转换器的电感器和/或电源开关的电流的精确实时测量就变得越复杂。因此，在一些电源转换器中，例如在具有三角形电流模式（TCM）的功率因数校正器（PFC）中，电流测量仅用于检测电感器电流的过零（zero-crossing），其继而用于控制电源转换器的电源开关的零电压切换。这对过电流保护和具有开环电流控制的这种转换器的电流控制的准确性施加了限制。通常，过零检测不允许闭环电流控制，而只允许开环电流控制。真实的幅度电流测量使得能够实现闭环电流控制，其促进更高质量的干线（mains）电流波形，尤其是在电源线干扰情形下。这是针对PFC的关键性能标准。

US 2016/0134185 A1（中兴通讯公司，中国）公开了一种用于图腾柱无桥电源转换器的电流过零检测设备。该电流过零检测设备包括电流互感器和开关，其被控制成使得在电流互感器中存储能量。在通过电源开关的电流的过零时释放该能量。释放的能量用于检测通过电源开关的电流的过零。尽管电流过零检测设备输出指示通过电源开关的电流的过零的信号，但电流过零设备并不意图测量通过电源开关的电流的真实幅度，尤其不在所述电流增加并接近它的最大值时。因此，过电流保护是不可能的。

EP 3 043 460 A1（中兴通讯公司，中国）公开了一种图腾柱无桥功率因数校正（PFC）软开关控制设备。电压检测模块包括添加到PFC电感器的两个辅助绕组，其中每个辅助绕组馈送分压器和两个电压钳位二极管。电压检测模块用于在AC输入电压的正半周期和负半周期期间检测PFC电感器两端的电压。然而，检测到的电压保持在预定范围内，并且仅适合于检测通过PFC电感器的电流的过零。电压检测模块不能测量通过PFC电感器的电流的确切值，也不能测量通过任何电源开关的电流的确切值。

US 2014/0002033 A1（华为技术有限公司，中国）公开了一种无桥功率因数校正（PFC）电路，其包括具有电流采样组件的控制单元，该电流采样组件对通过电源开关的电流进行采样并且包括电流互感器和电阻器。控制单元还包括三角形电流模式（TCM）控制器，其根据电流样本信息中的电流的方向和值来控制电源开关的接通/关断，以便最终实现电源开关的软切换。特别地，当TCM控制器检测到电感器的电流下降到某个负电流时，TCM控制器关断例如MOSFET的电源开关，使得电流不流过MOSFET的体二极管，从而减少MOSFET的体二极管的反向恢复电流引起的损耗。然而，电流采样对于高切换频率变得不切实际。

现有技术没有提供甚至在期望的高切换频率处例如在零电压切换电源转换器中适合于电源转换器的精确和实时控制以及适合于提供实时过电流保护的电流测量。

发明内容

本发明的目的是创建一种与最初提到的技术领域相关的、克服了现有技术的缺点或者至少部分地克服了现有技术的缺点的电流测量。特别地，本发明的目的是提供一种甚至在期望的高切换频率处例如在零电压切换电源转换器中适合于电源转换器的精确和实时控制以及适合于提供实时过电流保护的电流测量。

本发明的解决方案由方案1的特征规定。本发明涉及一种用于为用于控制电源转换器的电源开关的切换的控制器提供测量信号的电流测量电路，其包括用于感测表示通过电源转换器的第一电源开关的电流的第一双向电流的第一电流感测电路。第一电流感测电路适于提供指示第一双向电流的第一感测信号。电流测量电路还包括用于感测表示通过电源转换器的第二电源开关的电流的第二双向电流的第二电流感测电路。第二电流感测电路适于提供指示第二双向电流的第二感测信号。此外，电流测量电路包括适于基于第一感测信号、第二感测信号和表示电源转换器的输入电压的极性的极性信号来提供第一测量信号的切换电路。根据本发明，第一测量信号在第一时间间隔期间指示第一双向电流并在第三时间间隔期间指示第二双向电流。

双向电流是可以例如通过转换器的电源开关在两个方向上（即在第一方向上以及在与第一方向相反的第二方向上）流动的电流。在某一时间，双向电流只能在一个方向上流动。随着时间的推移，双向电流可以改变其方向。

电源开关可以是任何半导体开关。例如，电源开关可以是任何晶体管，诸如双极晶体管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）或单极晶体管。特别地，晶体管可以是场效应晶体管（FET），更特别地是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），并且最特别地是具有集成二极管的晶体管。双向电流可以例如在第一方向上从FET或MOSFET的漏极端子流到FET或MOSFET晶体管的源极端子，并且在第二方向上从FET或MOSFET的源极端子流到漏极端子。在具有集成二极管的晶体管的情况下，双向电流可以例如在第一方向上流过实际晶体管，并且在具有第二方向时流过二极管。

表示通过电源开关的电流的电流可以是至少间歇地等于通过电源开关的电流的任何电流。这种电流可以是例如通过电感器的电流，其之后间歇地流过电源开关。

表述“X指示Y”意味着X和Y之间存在一对一关系。这种一对一关系的示例可以包括但不限于：线性关系、指数关系、对数关系、平方关系或平方根关系。典型示例可以进一步包括例如电流传感器或磁场传感器的传感器的特性曲线。不是一对一关系的关系的示例可以包括比如“X等于Y的符号”的关系，即，对于任何正Y，X等于1，而对于任何负Y，X等于负1，因为对于一个X，存在多于一个（在该示例中：无限）Y值。

表述“X基于Y”意味着X是Y的任何函数。表述“X基于Y和Z”意味着X是Y和Z的任何函数。

表示电源转换器的输入电压的极性的信号可以是具有用于电源转换器的每个正输入电压的第一值和用于电源转换器的每个负输入电压的第二值的信号。第一值和第二值不同。例如，第一值可以是适合于接通电源开关（特别是晶体管）的电压电平。第二值可以是适合于关断电源开关（特别是晶体管）的电压电平。第一值的反向导致第二值，反之亦然。

根据本发明，电流测量电路提供指示双向电流的测量信号。有利地，该测量信号可以用于过电流保护。此外，测量信号可以用于电源转换器的精确控制，特别是用于转换器的精确闭环电流控制。而且，电流测量信号可以用于电源转换器的电源开关的切换的控制。

由于根据本发明存在两个独立的电流感测电路，所以它们中的每个可以例如关于测量范围被不同地设计。这允许感测具有相似信号电平的信号，即使双向电流具有非常不同的值，或者甚至以数量级不同。

另一个优点是电流感测电路可以灵活地放置在电源转换器中的不同位置处。一方面，它们可以与相应的电源开关串联连接。在这种情况下，电流感测电路放置在电源开关的哪一侧处并不重要。另一方面，电流感测电路可以例如与间歇地承载相应电源开关的电流的电感器串联安置。在这种情况下，电流感测电路放置在电感器的哪一侧处并不重要。

在另一个实施例中，测量电路的两个感测信号与电源开关流电（galvanically）隔离。特别地，电流感测电路是电流互感器。每个电流互感器可以具有初级绕组和次级绕组。每个初级绕组被设计用于传导双向电流。最特别地，每个初级绕组与电源转换器的电源开关串联连接。电流互感器的每个次级绕组被设计用于递送感测信号。

流电隔离的感测信号允许电流测量电路与电源开关流电隔离。因此，测量电路可以用于在流电不同的电势处测量电流，即，测量例如图腾柱配置中连接的电源开关的电流。流电隔离进一步提高了测量电路的安全性，因为人与测量电路的接触不会对该人造成任何危险，这与可能是潜在致命的与电源转换器的电源开关的接触相反。

电流互感器的使用是有利的，因为它们以广泛的多样性商业可获得。此外，当与电源开关串联放置时，小型电流互感器可能就足够了，而没有电流互感器的饱和的风险。

当将电流互感器与电源开关串联连接时，连接可以处于电源开关的任一接触端子处。如果电源开关是FET，则电流互感器可以被连接到FET的漏极端子或FET的源极端子。

当将电流互感器与电感器串联连接时，可以通过在电感器中生成不同的不连续电流模式（DCM）来避免电流互感器的饱和。

另一个优点是电流互感器可以容易地适应要测量的电流的幅度，尤其是如果双向电流具有不同的幅度但是期望感测信号针对不同双向电流具有相似的信号电平。

此外，电流互感器的输出电流可以连接到分流电阻器，以在分流电阻器两端产生电压信号，该电压信号与电流互感器的输出电流成比例。由此，流电隔离的电压信号可以用于电流的测量。

除了流电隔离的感测信号之外，还可以使用流电耦合的即非流电隔离的感测信号。例如，这种感测信号可以由与电源开关直接串联连接的分流电阻器提供，而不使用电流互感器。尽管分流电阻器提供了提供感测信号的简单且准确的方式，但可能无论如何都需要流电隔离，特别是如果不同的分流电阻器不具有共同的流电电势。

除了电流互感器之外，还已知具有流电隔离的多种不同电流感测技术。例如，存在已知的磁场传感器，比如霍尔效应传感器、磁通门传感器和磁阻传感器。然而，如已经提到的，电流互感器被认为是最有利的。

在另一实施例中，第一测量信号在第一时间间隔期间与第一双向电流成比例，并且在第二时间间隔期间与第二双向电流成比例。

其优点在于，用于控制电源转换器的电源开关的切换的控制器可以简单地确定要测量的电流的实际电流值。

代替在时间间隔期间第一测量信号与双向电流成比例，在两个信号之间可能还存在任何其他一对一关系。已经提到了其示例。

存在电流测量电路的又另一个实施例。如果极性信号具有第一值，则切换电路适于在第一双向电流具有过零时开始第一时间间隔并且在第一电源开关关断时结束第一时间间隔。如果极性信号具有第二值，则切换电路适于在第二双向电流具有过零时开始第三时间间隔，并且在第二电源开关关断时结束第三时间间隔。

双向电流的过零是在电流的值为零时以无穷小的时间的双向电流的方向的改变。双向电流的过零的示例是线性减小的双向电流，其达到零并且在零值处没有保持任何确定时间的情况下继续沿相反方向增加。当双向电流变为零并改变方向时其导数不等于零的双向电流的任何时间曲线被认为具有过零。不被认为是过零的典型情况例如是如果在双向电流开始沿相反方向流动之前双向电流被切断即降至零并且在那里保持某一段时间。或者换句话说，双向电流的过零出现在特定时刻但不是在一段时间期间。

时间间隔是电源转换器的电源开关的切换周期内的时间段。因此，根据本发明的时间间隔短于电源开关的完整切换周期。例如，电源开关的切换频率可以在15KHz至300KHz、优选为50KHz或更高、特别是100KHz或更高、并且最特别是150KHz或更高的范围内。因此，时间间隔短于20μs，特别是短于10μs，并且最特别是短于6.667μs。尤其当使用宽带隙电源开关（诸如例如GaN或SiC半导体开关）时，所述电源开关的切换频率可以甚至更高，例如高达500KHz或甚至高达1MHz。

通过选择根据本发明的时间间隔，最大双向电流可以始终在时间间隔内。如果以不同方式选择时间间隔，则可能不会在时间间隔内出现最大双向电流。这可能会危及过电流保护。

代替具有第一值或第二值，极性信号也可以具有第一值范围或第二值范围，其中每个值范围表示电源转换器的输入电压的极性。在任何情况下，极性信号可以适于控制开关，特别是晶体管。例如，极性信号的第一值或第一值范围可以适合于接通开关，特别是晶体管，而极性信号的第二值或第二值范围可以适合于关断开关，特别是晶体管。极性信号的值或值范围可以进一步适合于反向，即如果具有第一值或第一值范围的极性信号连接到例如逻辑反相器的反相器的输入，则反相器将提供对应于极性信号的第二值或第二值范围的输出，反之亦然。

在另一实施例中，切换电路适于基于第一感测信号、第二感测信号和表示电源转换器的输入电压的极性的极性信号来提供第二测量信号。第二测量信号在第二时间间隔期间指示第二双向电流并且在第四时间间隔期间指示第一双向电流。

第二测量信号可以指示第一双向电流，而后者具有与当第一测量信号指示第一双向电流时第一双向电流的方向相反的方向。这同样适用于第二双向电流。因此，取决于第一或第二双向电流的方向，第一或第二测量信号可以分别指示第一或第二双向电流。

仅利用一个测量信号，可以测量双向电流的仅一个方向的最大值。由于双向电流的最大值可能非常不同，所以一个测量信号可能对于此类应用是足够的。然而，为了最佳准确性，两个测量信号是优选的。取决于具体应用和/或特定电源转换器，还可以存在三个或甚至更多个测量信号，例如四个、八个或十二个。在这种情况下，可能需要第三感测信号和第三电流感测电路，或者甚至更多，例如总共四个、八个或十二个感测信号以及总共四个、八个或十二个感测电路。具体的电源转换器可以是例如具有多个并联的PFC轨（rail）的电源转换器，特别是具有四个轨或甚至六个轨的电源转换器。

在另一实施例中，第二测量信号在第二时间间隔期间与第二双向电流成比例并且在第四时间间隔期间与第一双向电流成比例。

如在第一测量信号的上下文中已经提到的，上述特征的优点还在于用于控制电源转换器的电源开关的切换的控制器可以简单地确定要测量的电流的实际电流值。

代替在时间间隔期间第二测量信号与双向电流成比例，在两个信号之间可以存在任何其他的一对一关系。

在电流测量电路的又另一个实施例中。如果极性信号具有第一值，则切换电路适于在第二双向电流具有过零时开始第二时间间隔，并且在第二电源开关关断时结束第二时间间隔。如果极性信号具有第二值，则切换电路适于在第一双向电流具有过零时开始第四时间间隔，并且在第一电源开关关断时结束第四时间间隔。

由于第一时间间隔和第二时间间隔在电源转换器的电源开关的一个且相同的切换周期内，所以第一时间间隔和第二时间间隔的持续时间在一起短于电源开关的切换周期的持续时间。这同样适用于第三和第四时间间隔。因此，第三时间间隔和第四时间间隔的持续时间在一起短于电源开关的切换周期的持续时间。

同样，通过选择根据本发明的时间间隔，最大双向电流可以始终在时间间隔内。如果以不同方式选择时间间隔，则可能不会在时间间隔内出现最大双向电流。这可能会危及过电流保护。

而且，代替具有第一值或第二值，极性信号可以具有第一值范围或第二值范围，其中每个值范围表示电源转换器的输入电压的极性。对于这些值和值范围，此处同样适用，如前面提到的。

在另一个实施例中，每个测量信号是单向信号。

如果适用，则单向信号还包括单极信号。单向信号可以是始终具有一个且相同方向的电流。单极信号可以是总是具有一个且相同极性的电压。

单向测量信号的优点在于它们可由用于控制电源转换器的电源开关的切换的控制器简单地处理。尤其是具有内置模数转换器（ADC）的数字信号处理器（DSP）可以使用没有任何电平移动的每个单向和/或单极测量信号。

测量信号也可以是双向的或双极的。然而，在这种情况下，测量信号不适合由ADC直接使用，而需要例如电平移动，这使得电流测量电路更复杂。

在另一个实施例中，每个测量信号是模拟信号。

如上所述，模拟信号非常适合于模拟控制器或数字控制器中的进一步处理。

模拟测量信号提供非常好的分辨率并且可以非常快，即它们非常适合于快速切换电源转换器，比如具有在15KHz到300KHz范围内（例如大于50KHz，或大于100KHz，或甚至大于150KHz）的高切换频率的零-电压切换电源转换器。模拟测量信号可以用于甚至更高的切换频率，例如用于高达500KHz或甚至高达1MHz的频率。

此外，电流测量电路可以用没有数字信号处理（DSP）的简单模拟技术或任何其他可编程硬件或任何软件来实现。

每个测量信号也可以是数字信号。然而，在这种情况下，电流测量电路可能需要ADC，并且测量信号可能关于其最大频率以及关于其最大分辨率受限制。

在另一实施例中，电流测量电路还包括按每个测量信号的分流电阻器。每个测量信号对应于相应分流电阻器两端的电压。

例如，如果每个感测信号是电流，则可以通过将每个感测信号引导通过分流电阻器而将每个感测信号转换为电压。测量信号可以由分流电阻器两端的电压形成。分流电阻器还具有以下优点：通过适当确定分流电阻器的尺寸，即通过选择欧姆值，可以独立于感测信号调整测量信号的期望电压范围。

在没有按每个测量信号具有分流电阻器的情况下，每个测量信号可以是电流。对于后续控制器来说，这样的电流的处理可能比作为电压的测量信号的处理更困难。

代替分流电阻器，测量电路可以包括例如分压器。分压器对于具有大值的感测信号可能是有利的。另一方面，分压器比分流电阻器更复杂。

在另一个实施例中，切换电路仅包括开关，特别是仅包括二极管和晶体管，最特别地，晶体管是场效应晶体管。

二极管可以是常规二极管、肖特基二极管或z二极管。

这种切换电路的优点是它可以引导即使是双向或双极的每个感测信号，使得提供单向或单极测量信号。

另一个优点是除了感测信号之外，切换电路的仅有输入信号是电源转换器的输入电压的极性信号。

代替仅包括开关，特别是分立开关，切换电路可以是多路复用器、逻辑阵列或其组合。然而，这种多路复用器、逻辑阵列或其组合可能不适合处理双极和/或双向感测信号。

根据本发明的另一方面，一种用于电源转换器的控制装置包括根据本发明的电流测量电路和控制器。特别地，控制装置包括功率因数控制器。更特别地，控制装置包括三角形电流模式功率因数控制器。

控制装置还可以包括控制器，诸如数字信号处理器（DSP）。DSP可以包括一个或多个片上比较器和一个或多个模拟数字转换器（ADC）。由于每个测量信号可以是单向或单极的事实，所以可能不需要重新配置ADC。这是重要的优点，因为否则ADC的重新配置必须与电源开关的切换频率同步进行，电源开关的切换频率可能在15KHz到300KHz的范围内，例如以50KHz或更高，100KHz或更高，或者以150KHz或更高，这会给控制器施加显著的负担，或者实际上是不可能的。当使用宽带隙电源开关（诸如例如GaN或SiC半导体开关）时，其中其切换频率例如高达500KHz或甚至高达1MHz，负担将甚至更加显著。

根据本发明的控制装置可以结合现有技术的优点，例如使用比较器进行零电流检测，并且此外它适合于经由ADC执行快速过电流保护以及精确电流控制。

根据本发明的另一方面，电源转换器包括根据本发明的电流测量电路。特别地，电源转换器是AC-DC转换器。更特别地，电源转换器是具有三角形电流模式功率因数控制器的无桥图腾柱电源转换器。

电源转换器还可以包括交错拓扑，例如交错PFC模块。PFC模块可以包括电感器和图腾柱电源开关装置。因此，交错PFC电源转换器可以具有多个电感器和图腾柱电源开关。

根据本发明的电源转换器的优点在于，即使电源转换器的输入电压（例如线路电压）失真，电源转换器也适合于经由ADC执行快速过电流保护以及精确电流控制。然而，如果出现过电流并且在通常短的时间段内必须执行快速过电流保护，则精确电流控制可能是无效的。

例如，可以使用任何AC-AC转换器代替AC-DC转换器。其优点和缺点取决于具体应用。

可以使用具有整流器桥的电源转换器代替无桥电源转换器。这种转换器的效率是不利的。

可以使用任何其他功率因数控制器代替三角形电流模式功率因数控制器，例如诸如不连续电流模式功率因数控制器。然而，在这种情况下，零电压切换更加困难。

根据本发明的另一方面，一种方法为用于控制电源转换器的电源开关的切换的控制器提供测量信号。该方法包括以下步骤：

d）通过感测表示通过电源转换器的第一电源开关的电流的第一双向电流来提供第一感测信号；

e）通过感测表示通过电源转换器的第二电源开关的电流的第二双向电流来提供第二感测信号；和

f）基于第一感测信号、第二感测信号和表示电源转换器的输入电压的极性的极性信号来提供第一测量信号。

根据本发明，该方法的特征在于：

g）第一测量信号在第一时间间隔期间指示第一双向电流并在第三时间间隔期间指示第二双向电流。

该方法提供指示双向电流的测量信号。有利地，该测量信号可以用于过电流保护。此外，测量信号可以用于电源转换器的精确控制。而且，电流测量信号可以用于电源转换器的电源开关的切换的控制。

由于根据本发明存在两个独立的感测信号，所以它们中的每个可以例如关于测量范围被不同地设计。这允许具有相似信号电平的测量信号，即使双向电流具有非常不同的值，或者甚至以数量级不同。

在另一实施例中，该方法还包括基于第一感测信号、第二感测信号和表示电源转换器的输入电压的极性的极性信号来提供第二测量信号的步骤。第二测量信号在第二时间间隔期间指示第二双向电流并且在第四时间间隔期间指示第一双向电流。

第二测量信号可以指示第一双向电流，而后者具有与当第一测量信号指示第一双向电流时第一双向电流的方向相反的方向。这同样适用于第二双向电流。因此，取决于第一或第二双向电流的方向，第一或第二测量信号可以分别指示第一或第二双向电流。

如已经提到的，仅利用一个测量信号，可以测量双向电流的仅一个方向的最大值。由于双向电流的最大值可能非常不同，所以一个测量信号可能对于此类应用是足够的。然而，为了最佳准确性，两个测量信号是优选的。取决于具体应用，还可以存在三个测量信号。在这种情况下，可能需要第三感测信号和第三电流感测电路。

其他有利实施例和特征的组合来自下面的详细描述和权利要求总体。

附图说明

用于解释实施例的附图示出：

图1是本发明的第一实施例的框图；

图2是第一双向电流的示例；

图3是第一测量信号的示例；

图4是第二双向电流的示例；

图5是本发明的第二实施例的框图；

图6是第二测量信号的示例；

图7是第二实施例的详细电路图；和

图8是第二双向电流的另一示例；

图9是第一双向电流的另一示例；

图10是具有若干不同实施例的特征的实施例的详细电路图。

在各图中，相同的组件被给予相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了本发明的第一实施例的框图。电流测量电路1包括第一电流感测电路10和第二电流感测电路20。第一电流感测电路10感测电源转换器（图1中未示出）的第一双向电流11，而第二电流感测电路20感测电源转换器的第二双向电流21。第一双向电流11和第二双向电流21可以不同。第一电流感测电路10提供指示第一双向电流11的第一感测信号12。第二电流感测电路20提供指示第二双向电流21的第二感测信号22。由切换电路30接收第一和第二感测信号12、22。此外，由切换电路30接收表示电源转换器的输入电压（图1中未示出）的极性的极性信号33。基于极性信号33、第一感测信号12和第二感测信号22，切换电路30提供第一测量信号31。

图2示出了极性信号33具有第一值即例如与电源转换器的正输入电压对应的情况下的第一双向电流11的随时间的示例性曲线。第一双向电流11可以以小的负值开始并且线性地减小直到它达到零。此后，第一双向电流11继续在没有任何延迟的情况下线性增加直到达到最大值。在第一双向电流11的负开始值和正最大值之间存在第一双向电流11的过零。在过零处，第一双向电流11改变其方向。在绝对值方面，第一双向电流11的正最大值可以远大于负开始点。或者换句话说，特定方向上的最大电流可以远小于或大于相反方向上的最大电流。在达到其正最大值之后，第一双向电流11可以下降到零并且在那里保持某一段时间。然后，第一双向电流11改变方向以跳向负最大值。电流方向的这种变化不被认为是过零，因为电流不是在特定时刻越过零线，而是在某一段时间内保持为零。

如果电源转换器的输入电压的极性改变，即极性信号33呈现第二值，例如与电源转换器的负输入电压对应，则图2还示出第二双向电流21的示例。

图3示出了极性信号33具有第一值即例如与电源转换器的正输入电压对应的情况下的基于如图2所示的第一双向电流11的第一测量信号31的随时间的示例性曲线。第一测量信号31仅在第一双向电流11沿特定方向流动时指示第一双向电流11。如果第一双向电流11沿相反方向流动，则第一测量信号31保持为零。

如果输入电压的极性改变，即极性信号33呈现第二值，例如与电源转换器的负输入电压对应，则第一测量信号31指示第二双向电流21，然而，这仅当后者沿特定方向流动时。如果第二双向电流21沿相反方向流动，则第一测量信号31保持为零。

总而言之，取决于极性信号33，第一测量信号31指示第一双向电流11或第二双向电流21，只要双向电流11、21在一个特定方向上流动，而如果双向电流11、21沿相反方向流动，则第一测量信号31保持为零。

图4示出了极性信号33具有第一值即例如与电源转换器的正输入电压对应的情况下的第二双向电流21的随时间的示例性曲线。第二双向电流21可以在呈现最大负值之前在零值处开始。由此，第二双向电流21线性减小，直到其达到零。此后，第二双向电流21继续在没有任何延迟的情况下线性增加直到达到最大值。在第二双向电流21的负开始值和正最大值之间，存在第二双向电流21的过零。在过零处，第二双向电流21改变其方向。在绝对值方面，第二双向电流21的负最大值可以远大于正结束点。或者换句话说，特定方向上的最大电流可以远小于或大于相反方向上的最大电流。在达到其正最大值之后，第二双向电流21可以下降到零并且在那里保持某一段时间。然后，第二双向电流21改变方向以再次呈现负最大值。双向电流的方向的这种变化不被视为过零，因为电流不是在特定时刻越过零线，而是在某一段时间内保持为零。

如果输入电压的极性改变，即极性信号33呈现第二值，例如与电源转换器的负输入电压对应，则图4还示出第一双向电流11的示例。

图5示出了本发明的第二实施例的框图。除了提供第二测量信号32的切换电路30之外，测量电路101与图1的测量电路1相同。为了便于描绘，除了上面提到的那些附图标记之外，附图标记没有从图1重复。

图6示出了极性信号33具有第一值例如与电源转换器的正输入电压对应的情况下的基于如图4所示的第二双向电流21的第二测量信号32的随时间的示例性曲线。第二测量信号32仅在第二双向电流21沿特定方向流动时指示第二双向电流21。如果第二双向电流21沿相反方向流动，则第二测量信号32保持为零。

如果输入电压的极性改变，即极性信号33呈现第二值，例如与电源转换器的负输入电压对应，则第二测量信号32指示第一双向电流11，然而，这仅当后者沿特定方向流动时。如果第一双向电流11沿相反方向流动，则第二测量信号32保持为零。

总而言之，取决于极性信号33，第二测量信号32指示第二双向电流21或第一双向电流11，只要双向电流在一个特定方向上流动，而如果双向电流沿相反方向流动，则第二测量信号32保持为零。

图7示出了连同电源转换器50和控制器70的本发明的第二实施例的详细电路图。

在该示例中，电源转换器50是无桥图腾柱电源转换器，包括第一电源开关51、第二电源开关52、第三电源开关53和第四电源开关54。第一和第二电源开关51、52以15KHz至300KHz之间、特别是65KHz至75KHz之间的频率进行切换。第三和第四电源开关53、54以例如50Hz或60Hz的AC输入电压进行切换。在AC输入电压55的第一半波期间，例如在正半波期间，可以接通电源开关53以使其导通，并且可以关断电源开关54以使其不导通。在AC输入电压55的第二半波期间，可以关断电源开关53以使其不导通，并且可以接通电源开关54以使其导通。

在具有整流器桥的电源转换器的情况下，可以省略第三和第四电源开关53、54，因为它们被桥整流器的二极管代替。然而，使用桥整流器可能导致电源转换器的效率的损失，因此无桥电源转换器是优选的。

对于以下说明，假设AC输入电压55为正，即电源开关53接通并导通，而电源开关54关断且不导通。

图2所示的第一时间间隔61在第一双向电流11的过零时开始。第一双向电流11从具有AC输入电压55的AC输入电压源流过电感器57、第一电流感测电路10、第一电源开关51和第三电源开关53，返回到AC输入电压源。第一双向电流11如图2所示线性增加。当第一双向电流11即刻地变为零时，在关断电源开关51时第一时间间隔结束。通过电感器57的电流在包括第二电流感测电路20、第二电源开关52、具有DC输出电压56的负载和第三电源开关53的路径中换向。因此，第二双向电流21从零跳为负最大值，从该处其线性地向零减小，如图4所示。第二双向电流21过零，这发起了第二时间间隔62，如图4所示。第二双向电流21通过与之前相同的路径线性增加。当第二电源开关52关断时，第二时间间隔62结束。第二双向电流21即刻地变为零，如图4所示。通过电感器57的电流在包括第一电流感测电路10、第一电源开关51和第三电源开关53的路径中换向。特别地，第一电源开关51的二极管导通。第一双向电流11从负最大值向零线性地减小，如图2所示。在此时间期间，第一电源开关51两端的电压基本上变为零，并且第一电源开关51接通。在第一双向电流11的过零之后，第一时间间隔61将再次开始。主要具有相同电流曲线和时间间隔的电源转换器50的新切换周期将再次开始。

当AC输入电压55改变其极性并变为负时，第三电源开关53关断并且第四电源开关54接通。图8所示的第三时间间隔63在第二双向电流21的过零时开始。第二双向电流21从具有AC输入电压55的AC输入电压源流过第四电源开关54、第二电源开关52、第二电流感测电路20和电感器57，返回到AC输入电压源。第二双向电流21遵循与当AC输入电压为正时第一双向电流11相同的曲线，参见图2。在关断第二电源开关52时第三时间间隔结束。作为结果，第二双向电流21即刻地变为零。通过电感器57的电流在包括第四电源开关54、具有DC输出电压56的负载、第一电源开关51、第一电流感测电路10和电感器57返回到AC输入电压源的路径中换向。因此，第一双向电流11从零跳为负最大值，从该处其线性地向零减小，如图9所示。第一双向电流11遵循与当AC输入电压为正时第二双向电流21所进行的相同的曲线，参见图4。第一双向电流11过零，这发起第四时间间隔64，如图9所示。第一双向电流11通过与之前相同的路径线性增加。当第一电源开关51关断时，第四时间间隔64结束。第一双向电流11即刻地变为零。通过电感器57的电流在包括第二电流感测电路20、第二电源开关52和第四电源开关54的路径中换向。特别地，第二电源开关52的二极管导通。第二双向电流21从负最大值向零线性地减小。在此时间期间，第二电源开关52两端的电压基本上变为零，并且第二电源开关52接通。在第二双向电流52的过零之后，第三时间间隔63将再次开始。主要具有相同电流曲线和时间间隔的电源转换器50的新切换周期将再次开始。

总而言之，在AC输入电压55的正半波期间的第一双向电流11的曲线基本上等于在AC输入电压55的负半波期间的第二双向电流21的曲线。相似地，在AC输入电压55的正半波期间的第二双向电流21的曲线基本上等于在AC输入电压55的负半波期间的第一双向电流11的曲线。在AC输入电压55的正半波期间的第一时间间隔61对应于在AC输入电压55的负半波期间的第三时间间隔63，而在AC输入电压55的正半波期间的第二时间间隔62对应于在AC输入电压55的负半波期间的第四时间间隔64。

在已经解释了示例性电源转换器50的工作原理之后，以下说明将专用于电流测量电路101。

在图7所示的实施例中，电流感测电路10、20以电流互感器的形式实现。每个电流互感器以电流的形式递送感测信号。

在第一时间间隔61期间，第一感测信号12经由第一二极管34、第一开关35和第二开关36被引导以形成第一测量信号31。在第二时间间隔62期间，第二感测信号22经由第二二极管37、第三开关38和第四开关39被引导以形成第二测量信号32。在第三时间间隔63期间，第二感测信号22经由第三二极管40、第五开关41、接地42和第四开关39被引导以形成第一测量信号31。在第四时间间隔64期间，第一感测信号12经由第四二极管43、第六开关44、接地42和第二开关36被引导以形成第二测量信号32。

在除了上述时间间隔之外的时间期间，当第一感测信号12或第二感测信号22具有与上述不同的另一方向时，感测信号将分别被引导到第五二极管45或第六二极管46，从而使电流互感器的相应次级绕组短路，导致相应的测量信号31、32为零。

在具有电流互感器的实施例中，可能需要第二开关36和/或第四开关39来重置电流互感器以便防止电流互感器饱和。特别地，如果电源转换器意图以PFC的TCM调制操作，则可能需要第二开关36和/或第四开关39。

在每个适用的实施例中，不管其任何其他一个或多个特征如何，切换电路30适于在正AC输入电压55期间使用极性信号33来接通第一和第三开关35、38。电流测量电路1包括反相器47，以在此时间期间关断第五和第六开关41、44。在AC输入电压55的负半波期间，切换电路30适于使用极性信号33来关断第一和第三开关35、38，并经由反相器47接通第五和第六开关41、44。

在没有第二测量信号32的实施例中，可以省略第二二极管37、第三开关38、第四二极管43和第六开关44。

如上所述，控制器70接收第一和第二测量信号31、32以控制电源开关51、52、53和54的切换。

图10示出了具有若干不同实施例的特征的本发明的实施例的详细电路图。为了便于理解，仅利用附图标记来描绘到目前为止未示出的附加特征和与其直接相关的特征。所有其他特征未明确标记以数字。

在具有电流互感器的实施例中，第一感测电路10和/或第二电流感测电路20还可以包括第一电阻器13和/或第二电阻器23。其优点在于电阻器可以用于重置电流互感器并防止其饱和。

在具有电流互感器的实施例中，第一感测电路10和/或第二电流感测电路20还可以包括第一背靠背z二极管14和/或第二背靠背z二极管24。其优点是背靠背z二极管可以被用于重置电流互感器并通过提供诸如以使通过电流互感器的电流解除换向的电压来防止其饱和。

在另一个不同的实施例中，切换电路101包括第一和第二z二极管15、25。第一和第二z二极管15、25分别与第四和第二二极管43、47串联并背靠背。其优点在于防止用作电流感测设备时的电流互感器饱和。

在另一个不同的实施例中，切换电路101还包括第一和/或第二分流电阻器47、48。当第一或第二感测信号12、22被引导通过第一或第二分流电阻器47、48时，第一和第二分流电阻器47、48两端的电压将分别形成第一和第二测量信号31、32。其优点在于控制器可以容易地使用与电压对应的测量信号。

总之，应注意的是，本发明提供了若干优于现有技术的优点，诸如用于过电流保护的实时电流测量、用于电源转换器的精确控制的测量范围的可扩展性（特别是用于转换器的精确闭环电流控制）、用于电源转换器的高切换频率的模拟信号切换、用于与模数转换器直接连接的单向或单极测量信号、用于安全操作的感测信号的流电隔离、以及用于具有成本效益实现的简单和小型电流互感器的使用。

除非明确排除，否则可以组合不同实施例的特征以形成进一步的实施例，这些实施例为了便于理解而没有都在本专利申请内解释或说明。

Claims (15)

1.一种用于为用于控制电源转换器（50）的电源开关（51，52，53，54）的切换的控制器（70）提供测量信号（31，32）的电流测量电路（1），包括：

a）第一电流感测电路（10），其用于感测表示通过电源转换器（50）的第一电源开关（51）的电流的第一双向电流（11），第一电流感测电路（10）适于提供指示第一双向电流（11）的第一感测信号（12）；

b）第二电流感测电路（20），其用于感测表示通过电源转换器（50）的第二电源开关（52）的电流的第二双向电流（21），第二电流感测电路（20）适于提供指示第二双向电流（21）的第二感测信号（22）；和

c）切换电路（30），适于基于第一感测信号（12）、第二感测信号（22）和表示电源转换器（50）的输入电压的极性的极性信号（33）提供第一测量信号（31），

其特征在于，

d）第一测量信号（31）在第一时间间隔（61）期间指示第一双向电流（11），并且在第三时间间隔（63）期间指示第二双向电流（21）。

2.根据权利要求1所述的电流测量电路（1），其中，两个感测信号（12，22）与电源开关（51，52）流电隔离，其中特别地电流感测电路（10，20）是电流互感器，每个具有初级绕组和次级绕组，每个初级绕组用于传导双向电流（11，21），并且最特别地其与电源开关（51，52）串联连接，并且每个次级绕组用于递送感测信号（12，22）。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的电流测量电路（1），其中，第一测量信号（31）在第一时间间隔（61）期间与第一双向电流（11）成比例并且在第三时间间隔（63）期间与第二双向电流（21）成比例。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的电流测量电路（1），其中，

a）如果极性信号（33）具有第一值，则切换电路（30）适于在第一双向电流（11）具有过零时开始第一时间间隔（61），并且在第一电源开关（51）关断时结束第一时间间隔（61），和

b）如果极性信号（33）具有第二值，则切换电路（30）适于在第二双向电流（21）具有过零时开始第三时间间隔（63），并且在第二电源开关（52）关断时结束第三时间间隔（63）。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的电流测量电路（1），其中，切换电路（30）适于基于第一感测信号（12）、第二感测信号（22）和表示电源转换器（50）的输入电压的极性的极性信号（33）提供第二测量信号（32），并且第二测量信号（32）在第二时间间隔（62）期间指示第二双向电流（21），并在第四时间间隔（64）期间指示第一双向电流（11）。

6.根据权利要求5所述的电流测量电路（1），其中，第二测量信号（32）在第二时间间隔（62）期间与第二双向电流（21）成比例，并且在第四时间间隔（64）期间与第一双向电流（11）成比例。

7.根据权利要求5-6中任一项所述的电流测量电路（1），其中，

c）如果极性信号（33）具有第一值，则切换电路（30）适于在第二双向电流（21）具有过零时开始第二时间间隔（62），并且在第二电源开关（52）关断时结束第二时间间隔（62），和

d）如果极性信号（33）具有第二值，则切换电路（30）适于在第一双向电流（11）具有过零时开始第四时间间隔（64），并且在第一电源开关（51）关断时结束第四时间间隔（64）。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的电流测量电路（1），其中，每个测量信号（31，32）是单向信号。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的电流测量电路（1），其中，每个测量信号（31，32）是模拟信号。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的电流测量电路（1），还包括按每个测量信号（31，32）的分流电阻器（47，48），其中每个测量信号（31，32）对应于相应分流电阻器（47，48）两端的电压。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的电流测量电路（1），其中，切换电路（30）仅包括开关，特别是仅包括二极管和晶体管，最特别地，所述晶体管是场效应晶体管。

12.一种用于电源转换器（50）的控制装置，包括根据权利要求1-11中任一项所述的电流测量电路（1）和控制器（70），特别是功率因数控制器，更特别是三角形电流模式功率因数控制器。

13.一种电源转换器（50），包括根据权利要求1-11中任一项所述的电流测量电路（1），特别地，其中，所述电源转换器（50）是AC-DC转换器，更特别地是具有三角形电流模式功率因数控制器的无桥图腾柱电源转换器。

14.一种用于为用于控制电源转换器（50）的电源开关（51，52，53，54）的切换的控制器（70）提供测量信号（31，32）的方法，包括以下步骤：

a）通过感测表示通过电源转换器（50）的第一电源开关（51）的电流的第一双向电流（11）来提供第一感测信号（12）；

b）通过感测表示通过电源转换器（50）的第二电源开关（52）的电流的第二双向电流（21）来提供第二感测信号（22）；和

c）基于第一感测信号（12）、第二感测信号（22）和表示电源转换器的输入电压的极性的极性信号（33）来提供第一测量信号（31），

其特征在于，

d）第一测量信号（31）在第一时间间隔（61）期间指示第一双向电流（11），并且在第三时间间隔（63）期间指示第二双向电流（21）。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括基于第一感测信号（12）、第二感测信号（22）和表示电源转换器（50）的输入电压的极性的极性信号（33）来提供第二测量信号（32）的步骤，其中第二测量信号（32）在第二时间间隔（62）期间指示第二双向电流（21），并在第四时间间隔（64）期间指示第一双向电流（11）。