TWI505612B - 用於電流互感器的取樣電路 - Google Patents

Description

用於電流互感器的取樣電路

本發明係關於一種用於電流互感器的取樣電路。

隨著科技的發展，電流互感器(Current Transformer,CT)普遍地存在於許多電子產品中，例如電源供應器、檢測器、變壓器等，依據電流互感器的轉換類型可大致分為交流轉直流(AC to DC)及直流轉直流(DC to DC)。

現有技術中，交流轉直流或直流轉直流的電流互感器一般採用鎖相鎖頻的方式，以取得電流訊號。但當輸入的交流電源或是直流電源突然有瞬間的變動，電流互感器便必須等待一段時間，待正確判斷出相位與頻率才繼續開始工作，在這段時間，仍必須持續提供能量，因而必須加大濾波電容量，造成空間與成本增加。

此外，對於直流轉直流的電流互感器，一般只會工作在第一象限，故必須提供額外時間讓其洩能，以避免飽和，而導致無法達到100%的工作週期(duty cycle)。

因此，如何提供一種不會因輸入的交流電源或是直流電源突然有瞬間的變動，而必須加大濾波電容量，造成空間與成本增加，同時能達到100%工作週期的電流互感器的取樣電路，已成為重要的課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種不會因輸入的交流電源或是直流電源突然有瞬間的變動，而必須加大濾波電容量，造成空間與成本增加，同時能達到100%工作週期的電流互感器。

為達上述目的，依據本發明之一種用於電流互感器的取樣電路，包括一電流感應單元、一整流單元、一取樣單元以及一切換單元。整流單元電性連接電流感應單元。取樣單元電性連接整流單元，並輸出一第一訊號，取樣單元包括一洩能元件及一切換元件，切換元件並聯連接洩能元件，並依據一第二訊號及一第三訊號導通或截止。切換單元電性連接取樣單元，並依據第二訊號導通或截止。

在一實施例中，切換元件為電晶體開關。

在一實施例中，洩能元件為齊納二極體。

在一實施例中，取樣單元更包括一電阻元件，並聯連接洩能元件及切換元件。

在一實施例中，切換單元包括一電晶體開關以及一電阻元件，電性連接電晶體開關。

在一實施例中，第二訊號為脈衝寬度調變訊號。

為達上述目的，依據本發明之一種用於電流互感器的取樣電路，包括一電流感應單元、一整流單元、一高通濾波單元以及一取樣單元。整流單元電性連接電流感應單元。高通濾波單元電性連接電流感應單元及整流單元。取樣單元電性連接整流單元，並輸出 一輸出訊號。

在一實施例中，整流單元為橋式整流器。

在一實施例中，高通濾波單元包括一電容元件。

在一實施例中，取樣單元包括一電阻元件。

在一實施例中，取樣單元更包括一電容元件，電性連接電阻元件。

承上所述，本發明揭露之一種用於電流互感器的取樣電路，不僅不會因輸入的交流電源或是直流電源突然有瞬間的變動，而必須加大濾波電容量，造成空間與成本增加，同時能使工作週期達到100%，兼具節能、環保、低製作成本的優點。

1、2‧‧‧取樣電路

11、21‧‧‧電流感應單元

12、22‧‧‧整流單元

13、24‧‧‧取樣單元

14‧‧‧切換單元

23‧‧‧高通濾波單元

C1、C2‧‧‧電容元件

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

D3、D4、D5、D6‧‧‧二極體元件

L1、L3‧‧‧第一線圈

L2、L4‧‧‧第二線圈

n1~n12‧‧‧節點

R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻元件

S1‧‧‧第一訊號

S2‧‧‧第二訊號

S3‧‧‧輸出訊號

SW1‧‧‧切換元件

SW2‧‧‧電晶體開關

V‧‧‧第三訊號

Z1‧‧‧洩能元件

圖1為本發明較佳實施例之一種用於電流互感器的取樣電路的電路圖。

圖2為本發明另一較佳實施例之一種用於電流互感器的取樣電路的電路圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種用於電流互感器的取樣電路，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖1所示，其為本發明較佳實施例之一種用於電流互感器的取樣電路的電路圖。用於電流互感器的取樣電路1包括一電流感應單元11、一整流單元12、一取樣單元13以及一切換單元14。 取樣電路1例如是可用於交流轉直流或直流轉直流的電流互感器。

電流感應單元11例如是包括一第一線圈L1及一第二線圈L2，第一線圈L1與第二線圈L2電磁耦合。當電流的方向是由第一線圈L1的節點n1流向節點n2，第二線圈L2感應產生的感應電流的方向是由節點n3流向節點n4；同理，當電流的方向是由第一線圈L1的節點n2流向節點n1，第二線圈L2感應產生的感應電流的方向是由節點n3流向節點n5。需要特別注意的是，第一線圈L1與第二線圈L2的繞線周數可依據實際應用時的需要，而有不同的設計，本發明於此並不予以限定。

整流單元12是電性連接電流感應單元11。更進一步來說，整流單元12例如是包括一第一二極體(diode)D1及一第二二極體D2，第一二極體D1的陽極端是電性連接第二線圈L2的節點n4，而第二二極體D2的陽極端是電性連接第二線圈L2的節點n5。當電流是由第二線圈L2的節點n3流向節點n4，第一二極體D1會導通，而第二二極體D2會截止，電流可由第一二極體D1通過，由其陽極端流向陰極端；反之，當電流是由第二線圈L2的節點n3流向節點n5，第一二極體D1會截止，而第二二極體D2會導通，電流可由第二二極體D2通過，由其陽極端流向陰極端。此外，第一二極體D1及第二二極體D2可分別以一高端場效應電晶體(high-side MOSFET)開關取代，亦可達到相同之功效。

取樣單元13是電性連接整流單元12，並輸出一第一訊號S1。取樣單元13包括一洩能元件Z1以及一切換元件SW1，切換元件SW1是電性連接洩能元件Z1，且切換元件SW1依據一第二訊號S2及一第三 訊號V導通或截止。更進一步來說，洩能元件Z1可例如是一齊納二極體，其陰極端是電性連接第一二極體D1及第二二極體D2的陰極端，其陽極端是輸出第一訊號S1。切換元件SW1可例如是一電晶體開關，其第一端是電性連接第一二極體D1及第二二極體D2的陰極端，第二端是耦接第二訊號S2及第三訊號V，第三端是輸出第一訊號S1。當切換元件SW1導通，電流便可由切換元件SW1的第一端流至第三端，而不會從洩能元件Z1通過；反之，當切換元件SW1截止，則洩能元件Z1會崩潰，使得電流可通過，且由於其崩潰時的特性曲線為線性，故可藉由洩能元件Z1將能量消耗掉。在本實施例中，取樣單元13更可包括一電阻元件R1並聯連接洩能元件Z1及切換元件SW1，以防止切換元件SW1及洩能元件Z1損壞。

切換單元14是電性連接取樣單元13，並依據第二訊號S2導通或截止。詳細來說，切換單元14可例如包括一電晶體開關SW2，其第一端是耦接切換元件SW1的第二端，第二端是耦接第二訊號S2，第三端是接地。當電晶體開關SW2導通，節點n6的電壓值會因接地而被限制在0伏特；反之，當電晶體開關SW2截止，節點n6的電壓值則會相依於第三訊號V。切換單元14更可包括一電阻元件R2電性連接電晶體開關SW2，以防止電晶體開關SW2損壞。

第一訊號S1是取樣電路1的輸出訊號。第二訊號S2可例如是一脈衝寬度調變訊號，以控制切換元件SW1及電晶體開關SW2的導通或截止。第三訊號V可例如是一電壓訊號，其透過一電阻元件R3耦接切換元件SW1的第二端及電晶體開關SW2的第一端，以使節點n6的電壓值與第三訊號V有相依性(例如線性關係)，而控制切換元件SW1導通或截止。

從取樣電路1的整體觀之，其工作原理如下所述：當流過第一線圈L1的電流是由節點n1流向節點n2，第二線圈L2感應產生的電流是由節點n5流向節點n3、節點n3流向節點n4，使得第一二極體D1導通，第二二極體D2截止，於此電流流向狀態(節點n1流向節點n2)下，第二訊號S2及第三訊號V控制切換元件SW1導通，取樣單元13輸出的第一訊號S1便是電流感應單元11的電流訊號；當流過第一線圈L1的電流方向逆轉，是由節點n2流向節點n1，第二線圈L2感應產生的電流是由節點n4流向節點n3、節點n3流向節點n5，使得第一二極體D1截止，第二二極體D2導通，於此電流流向狀態(節點n2流向節點n1)下，第二訊號S2及第三訊號V控制切換元件SW1截止，導致洩能元件Z1崩潰，將能量消耗掉，而達到重置(reset)的功效。

請參照圖2所示，其為本發明另一較佳實施例之一種用於電流互感器的取樣電路的電路圖。取樣電路2包括一電流感應單元21、一整流單元22、一高通濾波單元23以及一取樣單元24。取樣電路2例如是可用於直流轉直流的電流互感器。

電流感應單元21例如是包括一第一線圈L3以及一第二線圈L4，第一線圈L3與第二線圈L4電磁耦合。當電流的方向是由第一線圈L3的節點n7流向節點n8，第二線圈L4感應產生的感應電流的方向是由節點n9流向節點n10；同理，當電流的方向是由第一線圈L3的節點n8流向節點n7，第二線圈L4感應產生的感應電流的方向是由節點n10流向節點n9。需要特別注意的是，第一線圈L3與第二線圈L4的繞線周數可依據實際應用時的需要，而有不同的設計，本發明於此並不予以限定。

整流單元22是電性連接電流感應單元21。整流單元22可例如是一橋式整流器，其包括多數個二極體元件D3、D4、D5及D6，用以將電流感應單元21的輸出電流進行全波整流。

高通濾波單元23是電性連接電流感應單元21及整流單元22。高通濾波單元23可例如包括一電容元件C1，用以將電流感應單元21的輸出電流低頻部份濾去，而防止磁偏，其電容值可依據實際應用時的需要，而有不同設計，本發明於此並不予以限定。

取樣單元24是電性連接整流單元22，並輸出一輸出訊號S3。更進一步來說，取樣單元24可例如包括一電阻元件R4，用以將整流單元22輸出的電流訊號轉換為電壓訊號。除此之外，取樣單元24更可包括一電容元件C2，用以降低輸出訊號的漣波值(ripple value)。

從取樣電路2的整體觀之，其工作原理如下所述：當流過第一線圈L3的電流是由節點n7流向節點n8，第二線圈L4感應產生的電流是由節點n9流向節點n10，接著電流由節點n10經由二極體元件D6流向節點n11，再經由取樣單元24流向節點n12，最後經由二極體元件D3流回節點n9，完成迴路，其中當電流流經取樣單元24，取樣單元24輸出輸出訊號S3，即電流感應單元21輸出的電流訊號；反之，當流過第一線圈L3的電流是由節點n8流向節點n7，第二線圈L4感應產生的電流是由節點n10流向節點n9，接著電流由節點n9經由二極體元件D4流向節點n11，再經由取樣單元24流向節點n12，最後經由二極體元件D5流回節點n10，完成迴路，其中當電流流經取樣單元24，取樣單元24輸出輸出訊號S3，即電流感應單元21輸出的電流訊號。

綜合上述，依據本發明揭露之一種用於電流互感器的取樣電路，不僅不會因輸入的交流電源或是直流電源突然有瞬間的變動，而必須加大濾波電容量，造成空間與成本增加，同時能使工作週期達到100%，兼具節能、環保、低製作成本的優點。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧取樣電路

11‧‧‧電流感應單元

12‧‧‧整流單元

13‧‧‧取樣單元

14‧‧‧切換單元

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

L1‧‧‧第一線圈

L2‧‧‧第二線圈

n1、n2、n3、n4、n5、n6‧‧‧節點

R1、R2、R3‧‧‧電阻元件

S1‧‧‧第一訊號

S2‧‧‧第二訊號

SW1‧‧‧切換元件

SW2‧‧‧電晶體開關

V‧‧‧第三訊號

Z1‧‧‧洩能元件

Claims (6)

1. 一種用於電流互感器的取樣電路，包括：一電流感應單元；一整流單元，電性連接該電流感應單元；一取樣單元，電性連接該整流單元，並輸出一第一訊號，該取樣單元包括一洩能元件及一切換元件，該切換元件並聯連接該洩能元件，並依據一第二訊號及一第三訊號導通或截止；以及一切換單元，電性連接該取樣單元，並依據該第二訊號導通或截止。
2. 如申請專利範圍第1項所述的取樣電路，其中該切換元件為電晶體開關。
3. 如申請專利範圍第1項所述的取樣電路，其中該洩能元件為齊納二極體。
4. 如申請專利範圍第1項所述的取樣電路，其中該取樣單元更包括一電阻元件，並聯連接該洩能元件及該切換元件。
5. 如申請專利範圍第1項所述的取樣電路，其中該切換單元包括一電晶體開關以及一電阻元件，電性連接該電晶體開關。
6. 如申請專利範圍第1項所述的取樣電路，其中該第二訊號為脈衝寬度調變訊號。