CN110114684B - 用于测量导电体中的电流的电流测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种电流测量装置和一种用于测量在导电体中的电流的方法。本发明涉及一种用于测量在功率电子装置、特别是受控功率电子变换器的导电体中的电流的电流测量装置，其带有配设给导电体的变流器(6)，其中，电流测量装置具有电流确定单元(2)，电流确定单元具有放大器绕组，该放大器绕组配设给引导要测量的电流的导电体，以确定代表要测量的电流的线圈电压，电流确定单元包括变流器，变流器布置在第二换向路径(2)中，以确定代表要测量的电流的测量电压，所述测量电压具有第一斜率走向，电流确定单元包括观测器模块(4)，在该观测器模块的输入侧上施加测量电压和线圈电压，并且这样来构造电流确定单元，即，观测器模块的输出信号在第二换向路径的导通状态下对应测量电压的走向并且在第一换向路径(1)的导通状态下对应估算信号的走向，其中，所述估算信号通过以与第一斜率走向在绝对值上相同、但为负的第二斜率走向延续测量电压而形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量功率电子装置、特别是受控功率电子变换器的导电体中的电流的电流测量装置，所述电流测量装置带有配设给导电体的变流器。
此外，本发明还涉及一种用于测量功率电子装置、特别是功率电子变换器的导电体中的电流的方法，其中，电流借助感应式变流器测得。
背景技术
由DE102015200654A1或EP2824464A1已知，使用电流测量电阻来测量电流。这种测量方法的缺点是，功率电子装置的电压测量信号不是电位分离地由功率电子电路检测。通过将电流测量电阻引入到功率电子装置的电流路径中而产生损耗，所述损耗妨碍了电流测量装置的效率。
由EP1580563A1已知，使用变流器用于无电位的电流测量。变流器构建得较为紧凑并且可以放置于狭窄的结构空间。该变流器的缺点在于，变流器对功率电子开关的开关特性有较大的影响，因为所述变流器仅能布置在换向路径中。由此将附加的漏感引入到换向路径中。此外，使得换向持续时间变长。在使用变流器时，仅能在相应的换向路径的接通持续时间期间检测要测量的电流信号。若在断开阶段中(换向路径的不导通的状态)出现故障情况，那么就无法借助所测得的电流信号识别到所述故障情况。为了避免所述问题，需要将至少两个变流器，即各一个变流器布置在第一和第二换向路径中。但这种技术方案的缺陷在于，由此会影响在换向路径中的开关特性。特别是当功率电子装置的进行开关的构件包括碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)时，切换时间(10至25ns)小于由硅构成的半导体构件的切换时间(＞100ns)。因此需要的是，将换向路径构造得尽量低电感，以避免导致电气构件损毁的、在换向阶段期间的高电流峰值、高电压峰值或振荡。
发明内容
因此，本发明的任务是，给出一种用于测量功率电子装置的导电体中的电流的电流测量装置和方法，使得能够确定完整的电流走向，其中，由换向电感引起的负面效果被最小化。本发明尤其应当用于碳化硅构件或氮化镓构件。
为了解决所述任务，本发明的特征在于：电流测量装置具有电流确定单元，该电流确定单元具有放大器绕组，该放大器绕组配设给引导要测量的电流的导电体，以确定代表要测量的电流的线圈电压，该电流测量装置包括变流器，该变流器布置在第二换向路径中，以确定代表要测量的电流的测量电压，所述测量电压具有第一斜率走向，该电流测量装置包括观测器模块，在该观测器模块的输入侧上施加测量电压和线圈电压，并且这样来构造该电流测量装置，使得观测器模块的输出信号在第二换向路径的导通状态下对应测量电压的走向并且在第一换向路径的导通状态下对应估算信号的走向，其中，所述估算信号通过以与第一斜率走向在绝对值上相同、但为负的第二斜率走向延续测量电压而形成。
本发明实现了电流测量装置的极为有利且紧凑的结构，所述电流测量装置能放置于极为狭窄的空间中。在换向路径中的附加电感被减小到所需的附加电感。此外，功率电子开关的开关特性几乎不受影响。本发明的基础构思在于：在观测器原理的基础上确定在功率电子装置中的总电流。使用仅唯一一个变流器来测量在换向路径中的电流。通过所述变流器测量电流在所述换向路径的导通状态期间进行。额外地设有电流确定单元，在该电流确定单元的输入端上，一方面施加由变流器发出的测量信号并且另一方面施加落在布置在电流分支中——所述电流分支将整流换向路径与输入端电压连接起来——的线圈上的线圈信号。这样构造电流确定单元，使得在这两个输入信号的基础上确定输出信号，所述输出信号在一个换向路径(变流器处在该换向路径中)的导通状态下对应测量信号的走向，并且所述输出信号在另一个换向路径的导通状态下对应估算信号的走向。估算信号被称为在换向路径中确定的测量信号的延续并且具有和测量信号在绝对值上相同的斜率走向，但带有相对测量信号为负的斜率。对应要确定的总电流的输出信号在换向路径的导通状态下具有测量信号的走向，而输出信号在另一个换向路径的导通状态下则“接续”在测量信号上并且以负的斜率延续。因此在切换时间点上没有进行跳跃性的变化，如在测量信号中的情形那样。
按照本发明的一种扩展设计方案，电流确定单元一方面具有带变流器和桥式整流电路的电流检测装置以及具有用于选择性地接通桥式换向路径的开关单元，借助所述桥式换向路径可以提供测量信号。
此外，电流确定单元具有观测器模块，在该观测器模块的输入端上施加测量信号以及落在布置在电流分支中的线圈上的线圈电压，所述电流分支在一个(第一)换向路径和另一个(第二)换向路径的一个连接点以及输入电压的一个接头之间延伸。所述观测器模块具有用于将线圈电压和调节器电压相乘的乘法器以及具有积分器，在积分器上，将施加在乘法器的输出端上的乘法器电压积分成输出信号。此外，所述观测器模块具有调节器，在该调节器的输入端上施加由输出信号和测量信号构成的调节差。由此使观测器模块在一个具有变流器的换向路径的导通状态期间被校准，其中，输出信号接近测量信号。输出信号在一个换向路径的导通状态期间的走向因此对应测量信号。若从所述一个换向路径切换到所述另一个布置有放大器绕组的换向路径，那么确定输出信号作为估算值，其中，针对所述估算值以在切换时间点上的测量信号为出发点并且所述估算值以相对于之前的测量信号为负的斜率在所述另一个换向路径的导通状态期间延续。因此在所述另一个换向路径的导通状态下进行对电流值的估算。
为了解决所述任务，本发明的特征在于，在第二换向路径处在导通状态期间，借助在第二换向路径内的变流器测量电流作为测量信号，在第一换向路径的导通状态下仅估算所述电流作为估算信号，其中，所述估算信号在从第二换向路径转换到第一换向路径之后，从测量信号出发在相对于在第二换向路径的之前的导通状态下的测量信号的斜率为负的斜率下进一步延伸。
按本发明的电流测量方法是利于成本的、快速的并且极为紧凑。所述方法尤其实现了在受控功率电子变换器中的电流调节和监控。电流测量装置的紧凑的构造形式实现了在极为紧凑的结构空间内放置电流检测装置，从而对功率电子半导体构件的开关特性的影响被降低到最小。电流测量方法尤其适用于进行快速开关的功率电子部件，如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)构成的半导体构件。
附图说明
接下来借助附图详细阐释本发明的实施例。
图中：
图1示出了用于测量半桥电路中的电流的按本发明的电流测量装置；
图2是电流测量装置的详细视图；
图3是电流测量装置的不同的参量的时间走向；以及
图4是电流测量装置的参量在从一个换向路径转换到另一个换向路径之前和之后的时间走向。
具体实施方式
按本发明的电流测量装置可以用于测量在功率电子装置、特别是受控功率电子变换器中的导电体中的电流。在图1中例如示出了半桥电路，该半桥电路具有包含第一功率电子构件DH的第一换向路径1和包含第二功率电子构件DL的第二换向路径2。功率电子构件DH、DL可以例如构造成晶体管或二极管。假设：输入电压u1和输出电压u2均是恒定不变的并且大于零。此外，输出电压u2大于输入电压u1。
在简化图中，各一个开关SH、SL与功率电子构件DH、DL并联，所述开关分别在接通状态下(SH＝1，SL＝1)表征第一换向路径的导通状态或第二换向路径的导通状态。
电流测量装置主要包括电流确定单元3，该电流确定单元包括：观测器模块4、比例常数为K1的线圈绕组或放大器绕组L以及比例常数为K2的变流器6。线圈绕组L配设给引导要测量的电流iL的导电体(换向路径2)。线圈绕组L布置在一个电流分支中，该电流分支将连接点40与输入电压u1的接头连接起来。连接点40布置在设在第一换向路径1中的功率电子构件DH和设在第二换向路径2中的功率电子构件DL之间。线圈绕组L不是并联于布置在第一换向路径1中的功率电子构件DH布置。变流器6与布置在第二换向路径2中的功率电子构件DL串联布置。变流器6优选构造成感应式的变流器。
开关SH、SL被交替地接通或关断，如由图3可以看到那样。若开关SL在第二换向路径2中被接通，那么开关SH在第一换向路径1中被断开。一旦开关SL接通，那么流过线圈绕组L和变流器6的、要测量的电流iL就线性地上升。电流iL由变流器6检测并且作为测量信号、特别是测量电压信号uM提供给观测器模块4的输入端。由图2可以看到，变流器6集成在电流检测装置7中，所述电流检测装置除了变流器6外还具有桥式整流电路8、用于交替地接通桥式整流电路8的桥式整流路径的开关单元9以及负载电阻RB。在负载电阻RB上具有测量电压uM。开关单元9的开关状态S1、S2与要测量的电流方向iL有关。一旦要测量的电流iL的符号发生变化，两者因此就互补地切换。因此，电压测量信号uM是单极性的，在当前实施例中仅是正的。
在线圈绕组L上的电压降uL施加在观测器模块4的另一个输入端上，所述电压降对应比例常数K1和输入电压u1的乘积。
由图2可以看到，观测器模块4主要包括：乘法器10、接在该乘法器10下游的积分器11以及调节器12。在乘法器10的输入端上施加有线圈绕组L的电压降uL和调节器电压uR。在乘法器10的输出侧上施加乘积uS(uS＝uR x uL)，所述乘积作为输入电压施加在积分器11上。在具有运算放大器以及电阻R1和电容器C1的积分器11的输出侧上，形成了观测器模块4的输出电压uo，所述输出电压应当对应在第一换向路径1和第二换向路径2的导通状态下电流信号iL的走向。输出电压uo通过开关S3引导到调节器12的输入端，所述调节器在当前实施例中构造成PI调节器并且带有运算放大器、电阻RR1、RR2以及电容器CR。在调节器12的另一个输入端上施加测量电压uM。在调节器12的输出侧上施加的调节器电压uR被引导到乘法器10的输入端上。
因此当第一换向路径1没有处在导通状态(SH＝0)并且第二换向路径2处在导通状态(SL＝1)中时，在线圈绕组L上施加正的电压，即uL＝K1 x u1。观测器模块4利用线圈电压uL的大小和符号，以便使输出电压uo与测量电压uM相匹配。由此只要输出电压uo不等于测量电压uM，就适应地校准观测器模块4。当开关SL关断(SL＝0)并且开关SH接通(SH＝1)时，线圈电流iL换向到第一换向路径1。在该切换时间点tu，测量电压uM下降到零并且线圈电压uL跳跃到值uL＝K1(u1-u2)。在该时间点上，停止对电流iL的测量或对电流的观测。观测器模块4现在利用电压值uL，以便估算要测量的电流信号iL。如果测量电压uM和输出电压uo在切换之前的短的时间间隔内是相同的，那么观测器模块4的输出电压uo的走向正好对应于用比例常数K2缩放的电流走向(uM＝K2 x iL)。
调节器12借助开关S3构造成带有积分部分的能中断的调节器。调节器12评估在积分器11的输出电压uo和测量电压uM之间的电压差。一旦测量电压uM不等于零，开关S3就接通。
在开关S3闭合时，调节差(uM-uo)通过调节器12被放大并且通过输出电压uR引回到乘法器10。若调节差例如是正的，那么输出电压uo上升并且通过与线圈电压uL的相乘放大在积分器11上的输入电压uS。由此使输出电压uo快速上升，直至该输出电压与测量电压uM相同。然后观测器模块4的输出电压uo正好依循经缩放的电流K2 x iL。观测器模块4因此被校准。
在半桥电路的切换时间点tu上，即当第一换向路径1接通并且第二换向路径2断开时，测量电压uM跳跃式地降到零值。同时开关S3打开(S3＝0)。调节差(uM-uo)因此具有0值。输出电压uo保持在和切换时间点tu之前一样的电压值上。同时在线圈绕组L上的电压uL发生改变，因为测量电压uM和输出电压的斜率走向在切换时间点tu之前是相同的。因为针对经校准的观测器模块4仅线圈绕组L的电压uL发生改变，所以经缩放的电流(K2 x IL)和输出电压uo在切换时间点tu之后以绝对值相同的斜率继续变化。经缩放的电流K2IL和输出电压uo以相同的程度下降。输出电压uo的斜率在绝对值上因此对应在切换时间点tu之前的输出电压uo的斜率。输出电压uo在第二换向路径2的导通状态下在本实施例中具有恒定不变的正的斜率并且在第一换向路径1的导通状态下具有恒定不变的负的斜率，正的斜率和负的斜率在绝对值上相同。因此，在第一换向路径1的导通状态期间估算要测量的电流iL。输出电压uo在第一换向路径1和第二换向路径2的导通状态期间的完整的走向对应要测量的总电流iL。
比例系数K1和K2彼此线性相关。K2可以由下列方程式推导出，所述方程式在半桥电路的切换时间点tu上适用：
uo＝uM＝uR x K1 x V1 x iL＝K2 x iL，其中，V1是积分器11的增益。
由此遵循线性的映射：K2＝uR x V1 x K1。
由图4可以看到，调节器电压uR在第一换向路径1的导通状态下和在第二换向路径2的导通状态下均是恒定不变的。乘法器电压uS在切换时间点tu之后跳跃到负的值。
电流测量装置基于这样的构思，即，在换向路径1的导通状态期间测量电流IL并且在第二换向路径2的导通状态期间估算电流IL。
Claims (12)
1.一种用于测量在功率电子装置的导电体中的电流(iL)的电流测量装置，所述电流测量装置带有配设给导电体的变流器(6)，其特征在于，电流测量装置具有电流确定单元(3)，
-电流确定单元具有放大器绕组(L)，该放大器绕组配设给引导要测量的电流(iL)的导电体，以确定代表要测量的电流(iL)的线圈电压(uL)，
-电流确定单元包括所述变流器(6)，该变流器布置在第二换向路径(2)中以确定代表要测量的电流(iL)的测量电压(uM)，所述测量电压具有第一斜率走向，
-电流确定单元包括观测器模块(4)，在该观测器模块的输入侧上施加测量电压(uM)和线圈电压(uL)，并且这样来构造电流确定单元，即，观测器模块(4)的输出信号(uo)在第二换向路径(2)的导通状态下对应测量电压(uM)的走向并且在第一换向路径(1)的导通状态下对应估算信号(K2IL)的走向，其中，所述估算信号(K2IL)通过以与第一斜率走向在绝对值上相同、但为负的第二斜率走向延续测量电压(uM)而形成。
2.按照权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述要测量的电流(iL)通过在所述第二换向路径(2)的导通状态下的测量电压(uM)和在所述第一换向路径(1)的导通状态下的估算信号(K2IL)的叠加形成。
3.按照权利要求1或2所述的电流测量装置，其特征在于，所述电流确定单元(3)具有：带变流器(6)和放大系数(K2)的电流检测装置(7)、桥式整流电路(8)、用于选择性地接通桥式整流路径的开关单元(9)和负载电阻(RB)，在负载电阻上具有代表要检测的电流(iL)的测量电压(uM)。
4.按照权利要求1或2所述的电流测量装置，其特征在于，所述观测器模块(4)具有用于将落在放大器绕组(L)上的线圈电压(uL)和调节器电压(uR)相乘的乘法器(10)，其中，在乘法器(10)的输出端上施加乘法器电压(uS)，并且所述观测器模块(4)具有积分器(11)，在该积分器的输入侧上施加乘法器电压(uS)并且在该积分器的输出侧上施加构造成输出电压(uo)的输出信号。
5.按照权利要求4所述的电流测量装置，其特征在于，所述观测器模块(4)具有调节器(12)，在该调节器的输入侧上通过开关(S3)施加输出电压(uo)和测量电压(uM)，并且在该调节器的输出侧上施加调节器电压(uR)。
6.按照权利要求5所述的电流测量装置，其特征在于，所述调节器(12)构造成PI调节器。
7.按照权利要求5所述的电流测量装置，其特征在于，所述开关(S3)在第二换向路径(2)的导通状态下是闭合的并且在第二换向路径(2)的导通状态下能将输出电压(uo)调节到测量电压(uM)。
8.按照权利要求5所述的电流测量装置，其特征在于，所述开关(S3)在第一换向路径(1)的导通状态下是打开的，并且在第一换向路径(1)的导通状态下，估算信号(K2IL)以恒定不变的斜率下降，其中，所述斜率在绝对值上对应在第二换向路径(2)的导通状态下的测量电压(uM)的斜率。
9.按照权利要求1或2所述的电流测量装置，其特征在于，所述功率电子装置是受控功率电子变换器。
10.一种用于测量在功率电子装置的导电体中的电流(iL)的方法，其中，借助感应式的变流器(6)测量电流(iL)，其特征在于，在第二换向路径(2)处在导通状态下期间，借助所述变流器(6)在第二换向路径(2)中测量电流(iL)作为测量信号，在第一换向路径(1)的导通状态下仅估算电流(iL)作为估算信号，其中，估算信号(K2IL)在从第二换向路径(2)切换到第一换向路径(1)之后从测量信号出发在针对第二换向路径(2)的之前的导通状态下的测量信号的斜率为负的斜率下进一步延伸。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，在从第二换向路径(2)的导通状态到第一换向路径(1)的导通状态的切换时间点(tu)，断开调节器(12)的输入端，从而调节器(12)的输出电压在第一换向路径(1)的导通状态下保持恒定不变，以及在积分器(11)的输入端上施加电压，该电压在第一换向路径(1)的导通状态下具有相比第二换向路径(2)的导通状态为负的值。
12.按照权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述功率电子装置是功率电子变换器。
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