CN1455507A - 桥式电路中电流方向检测的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于脉宽调制(PWM)转换器或逆变器中电流方向检测的装置及方法，PWM转换器或逆变器中具有至少一上臂及下臂，每一臂包括具有一反向并联二极管的开关装置。其中，该开关装置跨压的大小及极性是根据流经该开关装置的电流方向而定，其中该电流方向是藉由于一触发讯号的导通周期内对该跨压取样而知悉。于小电流的运作情况中，该取样电压值对比于该电流大小而言相当大，并且易于被鉴别。此外，本发明亦提供用以获得一负载电流与一输出电压之间的相位角，并藉以判断该输出电流是否为0或包括直流(DC)成份的方法。因此，本发明可提供一高精确度的电流方向检测的装置及方法。

Description

桥式电路中电流方向检测的装置及方法
(1)技术领域
本发明是关于桥式电路中电流方向检测的装置及方法，尤指一种脉宽调制(PWM)转换器或逆变器中的电流方向检测的装置及方法。
(2)背景技术
一般对逆变器或转换器而言，其负载皆具有电阻与电感的特性。其结果造成逆变器或转换器中的负载电流与输出电压之间存在一相位角，该相位角的大小是随着输出频率或负载情况而变化。在许多情况中，需要知道电流方向以便控制逆变器或转换器中电子开关的导通或截止。例如，当电压相位已知时，负载电流与输出电压之间的相位角可以从电流方向而计算出来。此外，在停滞时间(dead time)补偿控制中，电流方向可决定由停滞时间所造成的电压失真的极性。此外，电流方向也可被用以判断输出电流是否为0或包含一直流电(DC)成份。
请参照图1。图1是依据习知技术的逆变器或转换器中的电流方向检测电路的方块图。如图1所示，逆变器或转换器中的电流方向是藉由霍尔传感器(HALLsensor)101而获得。其它已知的装置，如电流变压器(current transformer)，可同样地用以检测逆变器或转换器的电流方向。然而，这些装置具有如下的缺失：a)成本高；以及b)因温度所造成的磁滞效应或偏移降低测量的精确度。如图2所示，是为另一种典型用以检测逆变器或转换器的电流方向的电路。于图中，逆变器或转换器的电流方向可以依据一电阻传感器102的跨压大小而决定。然而，当电流非常小时，尤其是接近在电流的零交越点附近时，该电阻传感器102的跨压很小，因此逆变器或转换器的电流方向由于PWM截断(chopping)所产生的杂讯及转换杂讯的效应而难以藉由该电阻传感器102检测得到。因此，为改善此问题，必须选用大数值的电阻传感器102，因此增加了在电阻传感器上的功率耗损。尤其，当使用大功率容量的逆变器或转换器时，将消耗太多的电阻传感器的功率耗损。
(3)发明内容
本发明的一目的在于提供一种具有高精确度、高可靠度及低成本电路的逆变器或转换器的电流方向检测的装置及方法。
本发明的另一目的在于提供一种逆变器或转换器的输出电压与输出电流之间的相位角检测的装置及方法。
本发明的又一目的在于提供一种检测输出电流是否为零或包括一DC成份的装置及方法。
根据本发明的构想提供一种电流方向检测装置，具有至少一藉由串联的电子开关所形成一相位电桥，该电子开关包含一开关装置并联一反向二极管，一第一节点位于串联的电子开关之间用以电连接一负载，该相位电桥的一端电连接至一第一DC电源的一端，而该电桥的另一端电连接至该第一DC电源的另一端，其特点是，包括：一二极管，具有一阴极端电连接至该第一节点；一电阻，具有一端电连接至该二极管的一阳极端以形成一第二节点，而其另一端电连接至一第二DC电源；以及一比较器，具有一输入端电连接至该二极管的该阳极，以及另一输入端电连接至一预定电压准位，其中该第一节点的电流方向是由该比较器的一输出讯号所决定。
根据上述的构想，其中该电流方向检测装置是应用于一逆变器。
根据上述的构想，其中该电流方向检测装置是应用于一转换器。
根据上述的构想，其中当该电流流出该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一高电准位，而该电流流入该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一低电准位。
根据上述的构想，其中该电流流出该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一低电准位，而该电流流入该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一高电准位。
根据上述的构想，其中该电流方向检测装置还包括一取样器，其输入端电连接于该比较器的一输出端，且当该相位电桥的一下臂开关装置的一闸驱动讯号致能期间，执行一取样动作。
根据上述的构想，其中该电流方向检测装置还包括一隔离器电连接于该比较器的该输出端与该取样器的该输入端之间。
根据上述的构想，其中于该相位电桥的一上臂开关装置的一闸驱动讯号截止期间执行一取样动作。
根据上述的构想，其中该相位电桥包括一上臂开关装置以及一下臂开关装置。
根据上述的构想，其中该电流方向检测装置还包括一讯号识别装置电连接于该二极管的该阳极，用以依据该相位电桥的一闸驱动讯号，藉由识别该第二节点的该电压序列的一低准位电压而输出一电流检测讯号。
根据上述的构想，其中当一电压方向已知，则获得一激磁电压与一输出电流之间的一相位角。
根据上述的构想，其中该电流方向检测装置检测该输出电流是否具有一DC成份。
根据本发明的另一构想提供一种电流方向检测装置，具有至少一藉由串联的电子开关所形成一相位电桥，该电子开关包含一开关装置并联一反向二极管，一第一节点位于串联的电子开关之间用以电连接一负载，该相位电桥的一端电连接至一第一DC电源的一端，而该电桥的另一端电连接至该第一DC电源的另一端，其特点是，包括：一二极管，具有一阴极端电连接至一第二DC电源；一电阻，具有一端电连接至该电子开关之间的该第一节点，而其另一端电连接至该二极管的一阳极端以形成一第二节点；以及一比较器，其一输入端电连接至该第二节点，以及另一输入端电连接至一预定电压准位，其中该第一节点的电流方向是由该比较器的一输出讯号所决定。
根据上述的构想，其中该电流方向检测装置是应用于一逆变器。
根据上述的构想，其中该电流方向检测装置是应用于一转换器。
根据上述的构想，其中当该电流流出该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一高电准位，而该电流流入该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一低电准位。
根据上述的构想，其中该电流流出该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一低电准位，而该电流流入该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一高电准位。
根据上述的构想，其中该电流方向检测装置还包括一取样器，其输入端电连接于该比较器的一输出端，且当该相位电桥的一下臂开关装置的一闸驱动讯号致能期间，执行一取样动作。
根据上述的构想，其中该电流方向检测装置还包括一隔离器电连接于该比较器的该输出端与该取样器的该输入端之间。
根据上述的构想，其中于该相位电桥的一上臂开关装置的一闸驱动讯号截止期间执行一取样动作。
根据上述的构想，其中当一电压方向已知，则获得一激磁电压与一输出电流之间的一相位角。
根据上述的构想，其中该电流方向检测装置检测该输出电流是否具有一DC成份。
根据本发明的又一构想提供一种电流方向检测方法，应用于具有串联的电子开关的一相位电桥，每一该电子开关包含一开关装置并联一反向二极管，一第一节点位于串联的电子开关之间用以电连接一负载，该相位电桥的一端电连接至一第一DC电源的一端，而该电桥的另一端电连接至该第一DC电源的另一端，其特征在于，包括以下步骤：提供一二极管，具有一阴极端电连接至该电子开关之间的该第一节点；以及提供一电阻，具有一端电连接至该二极管的一阳极端以形成一第二节点，而其另一端电连接至一第二DC电源，其中该第一节点的电流方向是由该第二节点的一讯号的大小所决定。
根据本发明的又一构想提供一种电流方向检测方法，应用于具有串联的电子开关的一相位电桥，每一该电子开关包含一开关装置并联一反向二极管，一第一节点位于串联的电子开关之间用以电连接一负载，该相位电桥的一端电连接至一第一DC电源的一端，而该电桥的另一端电连接至该第一DC电源的另一端，其特点是包括以下步骤：提供一二极管，具有一阴极端电连接至一第二DC电源；以及提供一电阻，具有一端电连接至该电子开关之间的该第一节点，而其另一端电连接至该二极管的一阳极端以形成一第二节点；其中该第一节点的电流方向是由该第二节点的一讯号的大小所决定。
根据上述的构想，其中该电流方向检测方法还包括步骤：当一电压方向已知，则获得一激磁电压与一输出电流之间的一相位角。
根据上述的构想，其中该电流方向检测方法还包括步骤：检测该输出电流是否具有一DC成份。
为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。
(4)附图说明
图1是依据习知技术的逆变器或转换器的电流方向检测电路示意图；
图2是依据习知技术的逆变器或转换器的电流方向检测电路示意图；
图3是本发明第一较佳实施例的电流方向检测电路示意图；
图4是表示当负载电流流出相位电桥时第一较佳实施例的动作原理及波形示意图；
图5是表示当负载电流流入相位电桥时第一较佳实施例的动作原理及波形示意图；
图6是表示切换开关装置的输出特性曲线及电阻传感器输出特性曲线示意图；
图7是本发明第二较佳实施例的电流方向检测电路示意图；
图8是表示当负载电流流出相位电桥时第二较佳实施例的动作原理及波形示意图；
图9是表示当负载电流流入相位电桥时第二较佳实施例的动作原理及波形示意图；
图10是依据本发明另一较佳实施例的电流方向检测电路示意图。
(5)具体实施方式
虽然本发明可以有各种不同形式的实施例，为简化说明起见，于本发明中列举某些较佳实施例，详细描述及说明于下文中。然而本处所揭示的内容是例示本发明的原理，但本发明的申请专利范围并非仅局限于下述特定实施例。
请参照图3。图3是本发明第一较佳实施例的电流方向检测电路示意图。此应用于逆变器或转换器的电流方向检测装置包括至少一相位电桥311，一二极管305，一电阻307，一比较器308，以及一取样器310。此相位电桥311是由串联的电子开关301及302所形成，每一电子开关是由开关装置301与302分别与二极管303与304反向并联而成，其中该电子开关之间的一第一节点是电连接至一负载306。该开关装置301与该开关装置302之间的串联的第一节点被定义为一相位电桥311的输出端。
该相位电桥311的一端连接于一第一DC电源的一端Udc，而电桥的另一端是连接至该第一DC电源的另一端。该二极管305的阴极端连接至该电子开关301与302之间的第一节点。而该电阻307的一端电连接于该二极管305的阳极以形成一第二节点，而其另一端则电连接于一第二电源Vcc，其中第一节点的电流方向是由第二节点的讯号的大小所决定。由该二极管305及该电阻307所构成的一电流检测装置312是连接至该输出端。该电路312的输出，标示为Vde，呈现频率与PWM截断频率相同的电压脉波序列。而该电压脉波序列Vde的高电压准位是Vcc。同时，电压脉波序列Vde的低电压准位，其大小是依据负载电流方向而定。该比较器308的一输入端电连接至该第二节点，而其另一输入端电连接至一预定电准位，其中该第一节点的电流方向可由该比较器308的一输出讯号决定，因此，当该比较器308的输出讯号是高电准位时，电流流出第一节点，而当该比较器的输出讯号位于低电准位时，电流流入第一节点。或者是，当该比较器308的输出讯号是低电准位时，电流流出第一节点，而当该比较器的输出讯号位于高电准位时，电流流入第一节点。其是依据在该比较器308的正端或负端的预定连接位置而定。此外，其输入端是电连接于该比较器308的一输出端，同时，在该相位电桥311的下臂的开关装置302的闸驱动讯号PWM4被致能的期间执行一取样动作。较佳者，此电流方向检测装置还包括一隔离器309被加在该比较器308的输出端与该取样器310的输入端之间。同时，在该相位电桥的上臂开关装置301的闸驱动讯号PWM1被截止的期间执行一取样动作。
较佳者，电流方向检测装置还包括一讯号识别装置313电连接于该第二节点，用以藉由依据该相位电桥311的闸驱动讯号，识别在第二节点的电压序列的低电压准位而输出一电流方向讯号，其中该讯号识别装置313可以是该比较器308，该隔离器309及该取样器310的组合。
请参照图4。图4是表示当负载电流流出相位电桥时第一较佳实施例的动作原理及波形示意图。当负载电流id流出该相位电桥311时，如实线箭头所示，下臂的开关装置302将截止，即使当其闸驱动讯号是位于高电准位。于此周期期间，即使该上臂开关装置301已被截止，然而，由于该负载306的电感效应，该输出电流id是连续的并且流经该二极管304。于此情况中，该电压脉波序列Vde等于该二极管304及该二极管305的导通电压差，而该电压脉波序列Vde被标示为V1。
请参照图5。图5是表示当负载电流流入相位电桥时第一较佳实施例的动作原理及波形示意图。当该负载电流id流入该相位电桥311内时，如实线箭头所示，该下臂开关装置302于其闸驱动讯号PWM4位于高电准位时导通。于此周期中，该电压脉波序列Vde等于该下臂开关装置304及该二极管305的导通电压之和，而该电压脉波序列Vde被标示为V2。因此，很明显地，V1与V2之间的差异大到足以区分。因此，利用该电压脉波序列Vde可提供全部电流方向信息。
图6是表示切换开关装置的输出特性曲线及电阻传感器输出特性曲线示意图。黑体虚线表示跨越电阻传感器的电压。可知，当负载电流ic1足够大时，该开关装置及该感测电阻每一端的跨压足够大，并且可被确实地控制。但是，当负载电流ic2过小时，特别是在零交越点附近，该电阻传感器的跨压Vde2是小的，并且难以从截断暂态响应中所产生的杂讯中分离出来。同时，该开关装置的导通电压降为Vde2，并不随电流下降而等比例下降，而是以指数方式下降。因此，当负载电流较低时，导通电压依然被维持在相当大的数值。也就是说，即使是在相当低的负载电流，Vde依然维持在相当大的数值。因此，电流方向检测装置312对于指示电流方向而言是可靠且敏感的。如图3、4及5所示的取样器310，此取样器可藉由微处理器或控制器实施。
图7是本发明第二较佳实施例的电流方向检测电路示意图。如图7所示，该电流方向检测装置414包括一二极管416及一电阻415。与第一实施例相较的下，该二极管416是处于反向且其连接位置与该电阻415交换。图8及图9则表示对应的运作。于图中，类似第一较佳实施例的情况，该电压脉波序列Vde依据下臂开关装置402的闸驱动讯号PWM4以电压序列的形式表示。这些电压序列的频率与PWM截断频率相同，其高电压准位为Vcc与该二极管416的总和，而低电压准位则与电流方向相关。第二较佳实施例的其它元件，如开关装置401，二极管403，负载406，比较器408，隔离器409，取样器410，以及讯号识别装置413具有与第一较佳实施例相同的功能。
请参照图8，当该负载电流流出相位电桥411时，在该开关装置402的闸驱动讯号为高的周期期间，该电压脉波序列Vde呈现一负低电准位，其与该二极管404的电压降相等。而于图9，该负载电流流入该相位电桥411，且于该开关装置402的闸驱动讯号为高的周期期间，该电压脉波序列Vde呈现一正低电准位，其与该开关装置402的电压降相等。因此，该电压脉波序列Vde包括电流方向的全部信息。
藉由以上所述的本发明的设计，电流方向可以藉由电压脉波序列Vde的识别而获得。这可以藉由依据该开关装置301，302或该开关装置401，402来比较电压脉波序列Vde的电压准位与一预定电压准位而轻易地实现。图3及图7表示藉由该讯号识别装置313及413的实施例。此该讯号识别装置包括一比较器，一隔离器及一取样器。此取样器可以是光耦合器。比较器比较电压脉波序列Vde与一预定电压准位。该比较器的输出被该隔离器隔离并被传送至取样器。该取样器对该电压脉波序列Vde进行取样，其经由该比较器及该光耦合器进行讯号处理，并对应上臂开关装置的闸驱动讯号PWM1或下臂开关的闸驱动讯号PWM4而判断其状态。值得注意的是，使用微电脑的讯号识别装置可以藉由数字或硬件电路而实施。
另一方面，本发明提供一种当电压方向已知时，获得激磁电压与相位电桥的输出电流之间的相位角的方法。于许多情况中，施加于相位电桥的激磁电压的相位可清楚地在控制器中得知。当获得输出电流的零交越点时，可求得激磁电压与输出电流之间的相位角。
此外，本发明提供另一种方法以检测输出电流是否含有DC成份。藉由本方法可获得输出电流的零交越点。如果输出电流包括一DC成份，零交越点之间的区间将不会相同。也就是说，当电流检测讯号的不对称时表示输出电流中具有DC成份。
虽然于上述的实施例中，相位电桥是从IGBT所构成，本发明也可被应用于以场效晶体管(FET)，闸关闭闸流体或晶体管实施的逆变器或转换器。即使于以上的实施例中例示逆变器或转换器的单一相位，本发明也同样地可被应用于多相位的逆变器或转换器。
图10表示依据本发明的另一较佳实施例。与第一及第二较佳实施例相较之下，其不同的处在于并未应用一隔离器于此电流方向检测装置。
综合上述，本发明可提供一种具有高精确度、高可靠度及低成本电路的逆变器或转换器的电流方向检测的装置及方法，利用该装置及方法亦可检测出逆变器或转换器的输出电压与输出电流之间的相位角，以及检测输出电流是否为零或包括一DC成份。

Claims (15)

1.一种电流方向检测装置，具有至少一藉由串联的电子开关所形成一相位电桥，该电子开关包含一开关装置并联一反向二极管，一第一节点位于串联的电子开关之间用以电连接一负载，该相位电桥的一端电连接至一第一直流电电源的一端，而该电桥的另一端电连接至该第一直流电电源的另一端，其特征在于，包括：
一二极管，具有一阴极端电连接至该第一节点；
一电阻，具有一端电连接至该二极管的一阳极端以形成一第二节点，而其另一端电连接至一第二直流电电源；以及
一比较器，具有一输入端电连接至该二极管的该阳极，以及另一输入端电连接至一预定电压准位，其中该第一节点的电流方向是由该比较器的一输出讯号所决定。
2.如权利要求1所述的电流方向检测装置，其特征在于，该电流方向检测装置是应用于一逆变器或一转换器。
3.如权利要求1所述的电流方向检测装置，其特征在于，当该电流流出该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一高电准位，而该电流流入该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一低电准位。
4.如权利要求1所述的电流方向检测装置，其特征在于，该电流流出该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一低电准位，而该电流流入该第一节点时，该比较器的该输出讯号为一高电准位。
5.如权利要求3或4所述的电流方向检测装置，其特征在于，该电流方向检测装置还包括一取样器，其输入端电连接于该比较器的一输出端，且当该相位电桥的一下臂开关装置的一闸驱动讯号致能期间，执行一取样动作。
6.如权利要求5所述的电流方向检测装置，其特征在于，该电流方向检测装置还包括一隔离器电连接于该比较器的该输出端与该取样器的该输入端之间，且于该相位电桥的一上臂开关装置的一闸驱动讯号截止期间执行一取样动作。
7.如权利要求1所述的电流方向检测装置，其特征在于，该相位电桥包括一上臂开关装置以及一下臂开关装置，而该电流方向检测装置还包括一讯号识别装置电连接于该二极管的该阳极，用以依据该相位电桥的一闸驱动讯号，藉由识别该第二节点的该电压序列的一低准位电压而输出一电流检测讯号。
8.如权利要求1所述的电流方向检测装置，其特征在于，当一电压方向已知，则获得一激磁电压与一输出电流之间的一相位角。
9.如权利要求1所述的电流方向检测装置，其特征在于，该电流方向检测装置检测该输出电流是否具有一直流电成份。
10.一种电流方向检测装置，具有至少一藉由串联的电子开关所形成一相位电桥，该电子开关包含一开关装置并联一反向二极管，一第一节点位于串联的电子开关之间用以电连接一负载，该相位电桥的一端电连接至一第一直流电电源的一端，而该电桥的另一端电连接至该第一直流电电源的另一端，其特征在于，包括：
一二极管，具有一阴极端电连接至一第二直流电电源；
一电阻，具有一端电连接至该电子开关之间的该第一节点，而其另一端电连接至该二极管的一阳极端以形成一第二节点；以及
一比较器，其一输入端电连接至该第二节点，以及另一输入端电连接至一预定电压准位，其中该第一节点的电流方向是由该比较器的一输出讯号所决定。
11.如权利要求10所述的电流方向检测装置，其特征在于，当一电压方向已知，则获得一激磁电压与一输出电流之间的一相位角，且该电流方向检测装置检测该输出电流是否具有一直流电成份。
12.一种电流方向检测方法，应用于具有串联的电子开关的一相位电桥，每一该电子开关包含一开关装置并联一反向二极管，一第一节点位于串联的电子开关之间用以电连接一负载，该相位电桥的一端电连接至一第一直流电电源的一端，而该电桥的另一端电连接至该第一直流电电源的另一端，其特征在于，包括以下步骤：
提供一二极管，具有一阴极端电连接至该电子开关之间的该第一节点；以及
提供一电阻，具有一端电连接至该二极管的一阳极端以形成一第二节点，而其另一端电连接至一第二直流电电源，其中该第一节点的电流方向是由该第二节点的一讯号的大小所决定。
13.一种电流方向检测方法，应用于具有串联的电子开关的一相位电桥，每一该电子开关包含一开关装置并联一反向二极管，一第一节点位于串联的电子开关之间用以电连接一负载，该相位电桥的一端电连接至一第一直流电电源的一端，而该电桥的另一端电连接至该第一直流电电源的另一端，其特征在于，包括以下步骤：
提供一二极管，具有一阴极端电连接至一第二直流电电源；以及
提供一电阻，具有一端电连接至该电子开关之间的该第一节点，而其另一端电连接至该二极管的一阳极端以形成一第二节点；其中该第一节点的电流方向是由该第二节点的一讯号的大小所决定。
14.如权利要求12或13所述的电流方向检测方法，其特征在于，该电流方向检测方法还包括步骤：当一电压方向已知，则获得一激磁电压与一输出电流之间的一相位角。
15.如权利要求12或13所述的电流方向检测方法，其特征在于，该电流方向检测方法还包括步骤：检测该输出电流是否具有一直流电成份。
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