CN112986670A - 功率器件参数测量电路和功率器件参数测量方法 - Google Patents

功率器件参数测量电路和功率器件参数测量方法 Download PDF

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侯涛涛
杨明达
崔曼
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    • G01R21/07—Arrangements for measuring electric power or power factor by measuring current and voltage in circuits having distributed constants

Abstract

本发明适用于电力电子技术领域，提供了一种功率器件参数测量电路和功率器件参数测量方法，该电路包括：开关单元的输入端用于输入控制单元输出的放大后的驱动信号，开关单元的输出端连接谐振单元的输入端，谐振单元的输出端连接待测单元的输入端，待测单元的输入端和输出端分别连接频率采集单元的输入端，频率采集单元的输出端连接控制单元的输入端，控制单元用于根据接收到的信号调整驱动频率，使驱动频率达到谐振点频率，并输出与谐振点频率同频的新的驱动信号；控制单元还用于根据驱动信号计算谐振单元中功率器件的参数值。从而可以得到待测功率器件的参数值，测量精度高，且本申请中的功率器件参数测量电路的成本较低，适用范围更广。

Description

功率器件参数测量电路和功率器件参数测量方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种功率器件参数测量电路和功率器件参数测量方法。
背景技术
电感、电容、变压器等是电力电子领域不可缺少的应用器件，功率器件参数的精确度非常关键，因此有一款高精度电容电感测量设备是非常必要的。例如电动汽车行业，随着功率等级逐渐增大，体积要求越来越小，做高频 DCDC/ACDC成为业界的主流思想，但是高频等级功率变换器对功率器件参数很敏感，因此需要使用高精度设备测量。
目前，功率器件参数测量设备有电桥测量设备，但是其价位比较贵，而价格便宜的，其测量精度差，难以实现高精度测量。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种功率器件参数测量电路和功率器件参数测量方法，旨在解决现有技术中功率器件参数测量设备的测量精度差以及成本高的问题。
为实现上述目的，本发明实施例的第一方面提供了一种功率器件参数测量电路，包括：开关单元、谐振单元、待测单元、频率采集单元和控制单元；
所述开关单元的输入端用于输入所述控制单元输出的放大后的驱动信号，所述开关单元的输出端连接所述谐振单元的输入端，所述谐振单元的输出端连接所述待测单元的输入端，所述待测单元的输入端和输出端分别连接所述频率采集单元的输入端，所述频率采集单元的输出端连接所述控制单元的输入端，所述控制单元用于根据接收到的信号调整驱动频率，使所述驱动频率达到谐振点频率，并输出与所述谐振点频率同频的新的驱动信号；
所述控制单元还用于根据所述驱动信号计算所述谐振单元中功率器件的参数值。
作为本申请另一实施例，所述开关单元包括：开关管Q1和二极管D1；
所述开关管Q1的基极用于输入所述控制单元输出的放大后的驱动信号，所述开关管Q1的发射极连接所述二极管D1的阳极后接地，所述开关管Q1的集电极连接所述二极管D1的阴极后连接所述谐振单元的输入端。
作为本申请另一实施例，所述谐振单元包括：电感L和电容C1；
所述电感L的一端连接所述开关单元的输出端，所述电感L的另一端连接所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端连接所述待测单元的输入端。
作为本申请另一实施例，所述待测单元包括：电阻R1；
所述电阻R1的第一端连接所述谐振单元的输出端，所述电阻R1的第二端接地。
作为本申请另一实施例，所述频率采集单元包括：运放器、电容C2和电容C3；
所述运放器的同相输入端连接所述电容C2后连接所述电阻R1的第一端，所述运放器的反相输入端连接所述电容C3后连接所述电阻R1的第二端，所述运放器的输出端连接所述控制单元的输入端。
作为本申请另一实施例，所述频率采集单元还包括：电阻R2和电阻R3；
所述电阻R2的一端连接所述运放器的反相输入端，所述电阻R2的另一端连接所述运放器的输出端；
所述电阻R3的一端连接所述运放器的输出端，所述电阻R3的另一端接地。
作为本申请另一实施例，所述控制单元为MCU。
作为本申请另一实施例，还包括二极管D2；
所述二极管D2的阳极端接入预设电源，所述二级管D2的阴极端分别连接所述开关单元的输出端和所述谐振单元的输入端。
本发明实施例的第二方面提供了一种功率器件参数测量方法，采用上述任一实施例所述的功率器件参数测量电路，所述功率器件参数测量方法包括：
采集所述功率器件参数测量电路中运放器输出的脉冲信号和MCU输出的驱动信号；
将所述脉冲信号和所述驱动信号进行相位对比，得到对比结果；
根据所述对比结果调整驱动频率，使所述驱动频率达到谐振点频率，并输出与所述谐振点频率同频的新的驱动信号；
根据所述谐振点频率计算功率器件的参数。
作为本申请另一实施例，所述采集所述功率器件参数测量电路中运放器输出的脉冲信号和MCU输出的驱动信号，包括：
采集MCU输出的驱动信号；
采用校准系数对所述驱动信号进行校准，并限幅输出；
采集所述率器件参数测量电路中运放器输出的脉冲信号。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过电阻R1、电感L和电容C串联连接，采集电阻R1上的脉冲信号，与 MCU输出的驱动信号进行对比，根据对比结果自适应调整驱动频率与LC谐振频率相同，根据此驱动频率计算所述谐振单元中功率器件的参数值，从而可以得到待测功率器件的参数值，测量精度高，且本申请中的功率器件参数测量电路的成本较低，适用范围更广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的功率器件参数测量电路的示意图；
图2是本发明另一实施例提供的功率器件参数测量电路的示意图；
图3是本发明实施例提供的功率器件参数测量方法的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的一种功率器件参数测量电路的示意图，详述如下。
一种功率器件参数测量电路，可以包括：开关单元10、谐振单元20、待测单元30、频率采集单元40和控制单元50；
所述开关单元10的输入端用于输入所述控制单元50输出的放大后的驱动信号，所述开关单元10的输出端连接所述谐振单元20的输入端，所述谐振单元20的输出端连接所述待测单元30的输入端，所述待测单元30的输入端和输出端分别连接所述频率采集单元40的输入端，所述频率采集单元40的输出端连接所述控制单元50的输入端，所述控制单元50用于根据接收到的信号调整驱动频率，使所述驱动频率达到谐振点频率，并输出与所述谐振点频率同频的新的驱动信号；
所述控制单元50还用于根据所述谐振点频率计算所述谐振单元中功率器件的参数值。
可选的，如图2所示，所述开关单元10包括：开关管Q1和二极管D1；
所述开关管Q1的基极用于输入所述控制单元50输出的放大后的驱动信号，所述开关管Q1的发射极连接所述二极管D1的阳极后接地，所述开关管 Q1的集电极连接所述二极管D1的阴极后连接所述谐振单元20的输入端。
开关管Q1的驱动信号为控制单元发出的经过放大的方波电压信号，用于开通开关管的逻辑电平。
当加在开关管Q1发射结的电压大于PN结的导通电压，并且当基极的电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不再怎么变化，此时三极管失去电流放大作用，集电极和发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态，即为开关管Q1 的导通状态。当加在开关管Q1发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，即为开关管Q1的截止状态。
可选的，如图2所示，所述谐振单元20可以包括：电感L和电容C1；
所述电感L的一端连接所述开关单元10的输出端，即所述开关管Q1的集电极和所述二极管D1的阴极，所述电感L的另一端连接所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端连接所述待测单元30的输入端。
可选的，所述待测单元30可以包括：电阻R1；
所述电阻R1的第一端连接所述谐振单元20的输出端，所述电阻R1的第二端接地。
本实施例中电阻R1、电感L和电容C构成RLC谐振电路，电阻R1是纯阻性器件，电阻R1上谐振电压信号必然会和电源工作信号同频同相。当电感L 和电容C在工作频率fs下发生完全谐振时，LC的阻抗为零，这样采集电阻R1 上的信号经过处理发送给MCU，MCU调节出合适驱动频率与LC谐振，这样由已知的一个参数和调节出的驱动频率，根据
Figure RE-GDA0003033111350000061
即可计算得到被测参数的值。
可选的，如图2所示，所述频率采集单元40可以包括：运放器、电容C2 和电容C3；
所述运放器的同相输入端连接所述电容C2后连接所述电阻R1的第一端，所述运放器的反相输入端连接所述电容C3后连接所述电阻R1的第二端，所述运放器的输出端连接所述控制单元50的输入端。
可选的，图2中，电容C2和电容C3可以隔直采集电阻R1上的LC谐振信号，到达运放器输入端的谐振信号由于高频下寄生参数和高次谐波的干扰，导致此信号不规则、有毛刺等现象，因此还可以在频率采集单元40中增加电阻 R2。
所述电阻R2的一端连接所述运放器的反相输入端，所述电阻R2的另一端连接所述运放器的输出端。
这样，运放器和电阻R2可以将到达运放器输入端的脉冲信号整型成完整干净的脉冲方波，电阻R2作为反馈电阻，和运放器一起将脉冲方波整定限制到能够直接被控制单元采集识别的逻辑电平。
可选的，所述频率采集单元还包括：电阻R3；
所述电阻R3的一端连接所述运放器的输出端，所述电阻R3的另一端接地。
可选的，如图2所示，所述控制单元50为MCU。
MCU采集运放器输出的脉冲信号，与此时MCU输出的方波驱动信号进行相位对比，然后调整驱动频率，逐渐缩小误差，驱动信号最终达到LC谐振信号的谐振点频率，这样MCU采集到的脉冲信号与发出的驱动信号同频同相，即发生完全谐振。需要说明的是，驱动占空比均为50％。
可选的，功率器件参数测量电路还可以包括二极管D2；
所述二极管D2的阳极端接入预设电源，所述二级管D2的阴极端分别连接所述开关单元10的输出端和所述谐振单元20的输入端。
上述功率器件参数测量电路，通过电阻R1、电感L和电容C串联连接，采集电阻R1上的脉冲信号，与MCU输出的驱动信号进行对比，根据对比结果自适应调整驱动频率与LC谐振频率相同，根据此驱动频率计算所述谐振单元中功率器件的参数值，从而可以得到待测功率器件的参数值，测量精度高，且本申请中的功率器件参数测量电路的成本较低，适用范围更广。
图3为本发明实施例提供的一种功率器件参数测量方法，采用上述任一实施例提供的所述的功率器件参数测量电路，所述功率器件参数测量方法的执行主体可以为MCU，其可以包括以下步骤。
步骤301，采集所述功率器件参数测量电路中运放器输出的脉冲信号和 MCU输出的驱动信号。
可选的，本步骤可以包括：采集所述MCU输出的驱动信号，此驱动信号作为输入信号，输入功率器件参数测量电路中；
采用校准系数对所述驱动信号进行校准，并限幅输出；
采集所述率器件参数测量电路中运放器输出的脉冲信号。
可选的，校准系数可以根据实验进行设置，在本实施例中不限定校准系数的值。
可选的，采集的运放器输出的脉冲信号，即为采样数据，即采集的LC谐振电路的脉冲信号。
步骤302，将所述脉冲信号和所述驱动信号进行相位对比，得到对比结果。
可选的，脉冲信号和驱动信号的相位关系包括三种：脉冲信号的相位和驱动信号的相位相同、脉冲信号的相位大于驱动信号的相位以及脉冲信号的相位小于驱动信号的相位。
步骤303，根据所述对比结果调整驱动频率，使所述驱动频率达到谐振点频率，并输出与所述谐振点频率同频的新的驱动信号。
当脉冲信号的相位和驱动信号的相位相同，即完全谐振的状态，此时不需要调整驱动频率。
当脉冲信号的相位大于驱动信号的相位，此时需要提高驱动频率，当脉冲信号的相位小于驱动信号的相位时，则需要降低驱动频率，使所述驱动频率达到谐振点频率，并输出与所述谐振点频率同频的新的驱动信号。
可选的，可以通过计算脉冲信号与驱动信号的差值，再调试PI输出调整后的驱动频率。
步骤304，根据所述谐振点频率计算功率器件的参数。
可选的，当LC谐振电路达到完全谐振状态时，由已知的一个参数和调节出的驱动频率，根据
Figure RE-GDA0003033111350000081
即可计算得到被测参数的值。
上述功率器件参数测量方法，通过电阻R1、电感L和电容C串联连接，采集电阻R1上的脉冲信号，与MCU输出的驱动信号进行对比，根据对比结果自适应调整驱动频率与LC谐振频率相同，根据此驱动频率计算所述谐振单元中功率器件的参数值，从而可以得到待测功率器件的参数值，测量精度高，且本申请中的功率器件参数测量电路的成本较低，适用范围更广。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率器件参数测量电路，其特征在于，包括：开关单元、谐振单元、待测单元、频率采集单元和控制单元；
所述开关单元的输入端用于输入所述控制单元输出的放大后的驱动信号，所述开关单元的输出端连接所述谐振单元的输入端，所述谐振单元的输出端连接所述待测单元的输入端，所述待测单元的输入端和输出端分别连接所述频率采集单元的输入端，所述频率采集单元的输出端连接所述控制单元的输入端，所述控制单元用于根据接收到的信号调整驱动频率，使所述驱动频率达到谐振点频率，并输出与所述谐振点频率同频的新的驱动信号；
所述控制单元还用于根据所述驱动信号计算所述谐振单元中功率器件的参数值。
2.如权利要求1所述的功率器件参数测量电路，其特征在于，所述开关单元包括：开关管Q1和二极管D1；
所述开关管Q1的基极用于输入所述控制单元输出的放大后的驱动信号，所述开关管Q1的发射极连接所述二极管D1的阳极后接地，所述开关管Q1的集电极连接所述二极管D1的阴极后连接所述谐振单元的输入端。
3.如权利要求1所述的功率器件参数测量电路，其特征在于，所述谐振单元包括：电感L和电容C1；
所述电感L的一端连接所述开关单元的输出端，所述电感L的另一端连接所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端连接所述待测单元的输入端。
4.如权利要求1-3中任一项所述的功率器件参数测量电路，其特征在于，所述待测单元包括：电阻R1；
所述电阻R1的第一端连接所述谐振单元的输出端，所述电阻R1的第二端接地。
5.如权利要求4所述的功率器件参数测量电路，其特征在于，所述频率采集单元包括：运放器、电容C2和电容C3；
所述运放器的同相输入端连接所述电容C2后连接所述电阻R1的第一端，所述运放器的反相输入端连接所述电容C3后连接所述电阻R1的第二端，所述运放器的输出端连接所述控制单元的输入端。
6.如权利要求5所述的功率器件参数测量电路，其特征在于，所述频率采集单元还包括：电阻R2和电阻R3；
所述电阻R2的一端连接所述运放器的反相输入端，所述电阻R2的另一端连接所述运放器的输出端；
所述电阻R3的一端连接所述运放器的输出端，所述电阻R3的另一端接地。
7.如权利要求1-3中任一项所述的功率器件参数测量电路，其特征在于，所述控制单元为MCU。
8.如权利要求1-3中任一项所述的功率器件参数测量电路，其特征在于，还包括二极管D2；
所述二极管D2的阳极端接入预设电源，所述二级管D2的阴极端分别连接所述开关单元的输出端和所述谐振单元的输入端。
9.一种功率器件参数测量方法，其特征在于，采用上述权利要求1-7中任一项所述的功率器件参数测量电路，所述功率器件参数测量方法包括：
采集所述功率器件参数测量电路中运放器输出的脉冲信号和MCU输出的驱动信号；
将所述脉冲信号和所述驱动信号进行相位对比，得到对比结果；
根据所述对比结果调整驱动频率，使所述驱动频率达到谐振点频率，并输出与所述谐振点频率同频的新的驱动信号；
根据所述谐振点频率计算功率器件的参数。
10.如权利要求9所述的功率器件参数测量方法，其特征在于，所述采集所述功率器件参数测量电路中运放器输出的脉冲信号和MCU输出的驱动信号，包括：
采集MCU输出的驱动信号；
采用校准系数对所述驱动信号进行校准，并限幅输出；
采集所述率器件参数测量电路中运放器输出的脉冲信号。
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