專利名稱：電能轉(zhuǎn)換器中的負載電流檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電能轉(zhuǎn)換器中的負載電流檢測，尤其是諧振轉(zhuǎn)換器 中的負載電流檢測。
背景技術(shù)：
在已知的頻率控制的諧振轉(zhuǎn)換器中，切換電路通過諧振電路來 對變壓器的初級線圈進行供電。變壓器的次級線圈通常在整流之后對 負載電流進行輸送。通過增大切換頻率以便降低或限制負載電流至一 個安全值，這樣就能限定一個最大負載電流。該系統(tǒng)要求在變壓器的 次級側(cè)具有額外的電路。當轉(zhuǎn)換器被啟動時，切換頻率以較高值開始， 隨后慢慢地降低，從而防止在啟動期間流出較大負載電流。期望的是， 啟動時間越短越好。本發(fā)明旨在提供一種電能轉(zhuǎn)換器，尤其是諧振轉(zhuǎn) 換器，其使得能在變壓器的初級側(cè)檢測負載電流，從而避免需要在次
級側(cè)具備額外電路，并且降低啟動時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種電能轉(zhuǎn)換器，其包括具有初級電路和次級電路 的變壓器，所述初級電路被交流信號激勵以便在用于傳輸負載電流的 次級電路中感應(yīng)出次級交流信號，其中所述轉(zhuǎn)換器具有用于對表示負 載電流的電信號進行傳輸?shù)臋z測電路。根據(jù)本發(fā)明，檢測電路包括 用于對表示所述初級電路中的電流的第一電信號進行傳輸?shù)碾娐吩?件，用于對表示流經(jīng)所述變壓器的磁化電流的第二電信號進行傳輸?shù)?輔助電路，以及用于對第一信號和第二信號進行組合以便從第一信號 中有效地減去第二信號而導(dǎo)出差信號的計算電路 所述差信號表示反 映到所述變壓器的初級側(cè)上的負載電流，從而所述差信號表示了實際 的負載電流?？梢园凑杖魏畏奖愕姆绞綀?zhí)行第一信號和第二信號的檢測、以 及計算電路中的計算。例如，如果第一信號和第二信號分別表示為
十A禾n+B，那么正向相減(沿正軸)將得到差信號A-B?？商鎿Q地，
如果以負向相減(沿負軸)，差信號將為-A+B。另外，如果信號B
被檢測出具有相反的極性，即-B，那么計算電路將對兩個信號進行相
加或求和。在所有情況下，重要的是，差信號表示了負載電流。
因此，計算電路或者從第一信號中減去第二信號，或者將第一 信號與具有相反極性值的第二信號相加。
可通過對差信號進行適當?shù)奶幚韥慝@取負載電流的實際值或者 絕對值，優(yōu)選的處理是整流或者獲取差信號的模。這樣，可以在轉(zhuǎn)換 器的初級側(cè)獲取負載電流隨著時間的變化，從而提供對過量的負載電 流的可靠檢測。并且，在初級側(cè)差信號和表示負載電流的絕對值的信 號的幅值通常遠低于次級側(cè)上的負載電流的絕對值，從而使得更容易 在初級側(cè)進行電流測量，并且產(chǎn)生較低功率耗散。
在將要描述的優(yōu)選實施例中，功率轉(zhuǎn)換器為諧振轉(zhuǎn)換器，其包 括用于將直流輸入轉(zhuǎn)換成交流信號的第一轉(zhuǎn)換器電路，并且包括用于 將次級交流信號轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓以傳遞負載電流的第二轉(zhuǎn)換器 電路。
所述電路元件優(yōu)選地是與所述變壓器的初級電路串聯(lián)的電阻 器，并且所述輔助電路優(yōu)選地由靠近地耦接至次級電路的次級線圈的 輔助線圈表示，由于靠近地耦接至次級線圈的原因而在所述輔助線圈 兩端感應(yīng)出了 一個輔助電壓，所述輔助電路還包括用于針對時間對所
述輔助電壓進行積分以導(dǎo)出第二電信號的積分電路。積分電路優(yōu)選地 包括電阻器/電容器組合，但是還可以使用電感器作為積分器，或者
使用電阻器/電容器組合的運算放大器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于導(dǎo)出電信號的方法， 所述電信號表示電能轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的負載電流，所述電能轉(zhuǎn)換器包括
具有初級電路和次級電路的變壓器，所述方法包括導(dǎo)出表示所述初
級電路中的電流的第一電信號，導(dǎo)出表示流經(jīng)所述變壓器的磁化電流 的第二電信號，以及對第一信號和第二信號進行組合以導(dǎo)出差信號，所述差信號表示反映到所述變壓器的初級側(cè)上的負載電流，從而所述 差信號表示了實際的負載電流。
優(yōu)選地，所述差信號表示負載電流作為時間的函數(shù)的變化，從 而能夠通過參考轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)上的差信號來實現(xiàn)對負載電流的監(jiān) 視和控制。


現(xiàn)在將參考附圖通過示例的方式描述形成本發(fā)明優(yōu)選實施例的 五個諧振轉(zhuǎn)換器，附圖中
圖1至圖5分別為五個轉(zhuǎn)換器的電路框圖。
具體實施例方式
參見圖1，第一諧振轉(zhuǎn)換器包括第一轉(zhuǎn)換器電路1，用于將直流 輸入2 (標記為Vsupply)轉(zhuǎn)換成交流信號，該交流信號對變壓器4 的初級線圈3進行激勵(energise)。第二轉(zhuǎn)換器電路將在變壓器4 的分節(jié)次級線圈5a、 5b上感應(yīng)出的次級交流信號整流為直流輸出電 壓8(標記為Vout)，以便輸送負載電流，第二轉(zhuǎn)換器電路包括兩個 二極管6和7。
第一轉(zhuǎn)換器電路l以受控頻率產(chǎn)生交替序列形式的矩形輪廓的 脈沖Gh和Gl。脈沖被饋給由電容器9、串聯(lián)的泄漏電感器10和磁 化電感器12組成的諧振電路，磁化電感器12負載了磁化電流。變壓 器4被表示為匝數(shù)比為N:1:1的理想變壓器，其中匝數(shù)比為初級線圈 3的匝數(shù)、分節(jié)次級線圈的一半5a的匝數(shù)、以及分節(jié)次級線圈的另 一半5b的匝數(shù)的比值。初級線圈3和磁化電感器12被示出為并聯(lián)的， 這一并聯(lián)布置負載了初級電流，并且這一并聯(lián)布置與電感器IO及電 容器9串聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明，諧振轉(zhuǎn)換器具有檢測電路，該檢測電路包括與 并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)3和12所形成的初級電路串聯(lián)的電阻器13、以及靠近地耦 接至變壓器4的次級線圈5a、 5b的輔助線圈14。電阻器13兩端的 電壓正比于初級電路中的電流，由此電抽頭15上的電壓正比于初級
7電路中的電流。積分電路按時間對輔助線圈14兩端的電壓進行積分，
從而連接18上的電壓表示了流經(jīng)變壓器的磁化電流，積分電路包括 電阻器16和電容器17。各個連接15和18上的兩個電壓被饋給計算 電路19，計算電路19將連接15上的電壓減去連接18上的電壓，從 而得到輸送給連接20的差信號，該差信號表示在變壓器4的初級側(cè) 上反映出來的負載電流。因此，連接20上的信號仿真了負載電流， 該信號隨著負載電流的變化而隨時間變化。利用以受控頻率產(chǎn)生一連 串的脈沖Gh和Gl的切換電路1的定時，經(jīng)由連接24，通過同步整 流(以23指示)，在輸出22上產(chǎn)生負載電流的實際值或者絕對值。 在圖2和圖3的實施例中，與圖1的部分相對應(yīng)的部分具有相 同的參考標號。
參見圖2，來自計算電路19的輸出20上的差信號被饋入絕對值 檢測器25，絕對值檢測器25導(dǎo)出來自計算電路19的信號的模 (modulus)，從而在輸出26上提供負載電流的絕對值。
圖3是第三實施例的部分電路框圖，省略了電路1右邊的組件 以及輔助線圈14，但是它們與圖l和圖2的相應(yīng)組件是等同。
圖3的實施例具有補償電路，補償電路對電感器12中的直流電 流分量進行補償，在占空比周期不是50%的情況下，或者如果變壓 器的初級線圈和次級線圈之間具有稍微的不對稱，則進行補償。輔助 線圈14上的積分電壓不能補償該直流電流分量。相反，補償電路采 用差分放大器27，從而在負載電流為0或者接近為0的時間窗口 (Twindows)期間，基于連接28上的初級電流與連接29上的仿真 磁化電流之間的差來產(chǎn)生誤差信號(Verror)。在該時間間隔期間， 仿真初級電流和仿真磁化電流之間的差應(yīng)該為0。在乘法器30中以 系數(shù)Kl對來自差分放大器27的輸出的任何誤差信號進行縮放，從 而產(chǎn)生一個偏移信號(Voffset)，該偏移信號被反饋給偏移補償源 32，偏移補償源32對表示初級線圈電流的信號進行調(diào)整以便對電感 器12中的直流電流分量進行補償?？商鎿Q地，偏移補償源可對表示 磁化電流的信號進行調(diào)整。來自計算電路19的差信號被整流器33 整流，從而在輸出34提供負載電流的絕對值。根據(jù)圖1和圖2，可在另一實施例(未示出)中，在負載電流接近為0的時間間隔 期間，對仿真了磁化電流的信號按一系數(shù)進行縮放，該系數(shù)可通過測 量實際初級電流和仿真負載電流之間的差來自適應(yīng)地確定。在這種情 況下，仿真負載電流和初級電流應(yīng)該相等。這使得縮放系數(shù)被設(shè)置。 對仿真了磁化電流的信號按一系數(shù)進行縮放，通過測量初級電流和仿 真磁化電流，并且產(chǎn)生根據(jù)這兩個信號導(dǎo)出的誤差信號、或者根據(jù)這 兩個信號并結(jié)合切換電路1的定時信號而導(dǎo)出的誤差信號、或者根據(jù) 這兩個信號并結(jié)合次級二極管的導(dǎo)通次數(shù)而導(dǎo)出的誤差信號、或者根 據(jù)這些因素的組合而產(chǎn)生的誤差信號，可自適應(yīng)地確定該系數(shù)。
圖4的實施例是圖2的實施例的改型，相對應(yīng)的部分具有相同 的參考標號。相對于圖2的線圈14，圖4中的輔助線圈14'以相反的 感應(yīng)方式進行連接，從而線圈14'兩端的電壓的極性與圖2的線圈14 兩端的電壓的極性相反。在(通過電阻器16和電容器17)對線圈14' 上的電壓進行積分之后，連接18上的電壓的幅度表示了流經(jīng)變壓器 的磁化電流，但是該電壓具有相反的極性。計算電路19'將連接18 上的電壓加至連接15上的電壓，從而得到在連接20上傳輸?shù)牟钚盘枺?該差信號表示了反映到變壓器4的初級側(cè)的負載電流。
圖5的實施例圖3的實施例的改型，相應(yīng)的部分具有相同的參 考標號。與圖4 一樣，圖5的輔助線圈14'以相反的感應(yīng)方式進行 連接，從而圖5的線圈14，兩端的電壓的極性與圖3的線圈14兩端 的電壓的極性相反。由此，圖5的計算電路19'對其輸入上的信號進 行相加或求和，從而得到輸出20上的差信號，該差信號隨后被絕對 值檢測器25處理以便在輸出34上提供負載電流的絕對值。由于通過 使用虛擬接地而在計算電路19'中執(zhí)行加法，可以使用交流耦合，這
就產(chǎn)生了放大器本身的偏移電壓變得不重要的優(yōu)勢。
對仿真了磁化電流的信號按一系數(shù)進行縮放，通過測量初級電
流和仿真磁化電流，并且產(chǎn)生根據(jù)這兩個信號導(dǎo)出的誤差信號、或者
根據(jù)這兩個信號并結(jié)合切換電路1的定時信號而導(dǎo)出的誤差信號、或
者根據(jù)這兩個信號并結(jié)合次級二極管的導(dǎo)通次數(shù)而導(dǎo)出的誤差信號、或者根據(jù)這些因素的組合而產(chǎn)生的誤差信號，可確定該系數(shù)。
諧振轉(zhuǎn)換器的每個實施例均在初級側(cè)獲取一個表示了負載電流 的時變信號，從而在啟動期間以及正常操作期間，切換電路1的頻率 都可被控制來限制負載電流。并且，可測量轉(zhuǎn)換器的輸出功率，并且 可以確定次級二極管的計算間隔的定時。
作為使用電阻器13作為電流傳感器的替換方式，可在Vsupply 和接地之間對電容器9進行分割(split)，并且將電容器9放置在電 感器12的另一側(cè)，隨后電流感應(yīng)電阻器被放置成與接地的電容器進 行串聯(lián)。而且，具有串聯(lián)的電流感應(yīng)電阻器的較小第三電容器可被加 入分割節(jié)點。
不同于使用具有分節(jié)線圈5a和5b的變壓器，可采用具有橋整 流器的次級線圈。并且，可利用有源開關(guān)來取代二極管6、 7或橋整 流器。
通過閱讀本公開文本，其它變型和改型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來 說是顯而易見的。這些變型和改型可能包括等同特征或者本領(lǐng)域已知 的其它特征，并且這些特征可作為在此已經(jīng)描述過的特征的替換或者 作為添加。
雖然權(quán)利要求在本申請中對特征的特定組合進行了明確敘述， 但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的公開范圍還包括此處以明示或者暗示的 方式而公開的所有新穎特征或特征的新穎組合、或者它們的概括，而 不管其是否與當前在權(quán)利要求中要求保護的同一發(fā)明相關(guān)，也不管其 是否解決了與本發(fā)明的技術(shù)問題相同的一些技術(shù)問題或所有技術(shù)問 題。
分開的實施例的上下文中描述的特征也可結(jié)合在單個實施例 中。相反，簡要起見而在單個實施例中描述的各種特征也可分成任何 適合的下級組合。申請人在此提醒，在本申請的訴訟期間或者從本申 請派生的其它申請的訴訟期間，可將新權(quán)利要求明確成這些特征和/ 或這些特征的組合。
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權(quán)利要求
1.一種電能轉(zhuǎn)換器，其包括具有初級電路(3，12)和次級電路的變壓器(4)，所述初級電路被交流信號激勵以便在用于傳輸負載電流的次級電路中感應(yīng)出次級交流信號，其中所述轉(zhuǎn)換器具有用于導(dǎo)出表示負載電流的電信號的檢測電路，其中所述檢測電路包括用于導(dǎo)出表示所述初級電路(3，12)中的電流的第一電信號的電路元件(13)、用于導(dǎo)出表示流經(jīng)所述變壓器(4)的磁化電流的第二電信號的輔助電路(14，16，17)、以及用于對第一電信號和第二電信號進行組合以便從第一電信號中有效地減去第二電信號從而導(dǎo)出差信號的計算電路(19)，所述差信號表示反映到所述變壓器(4)的初級側(cè)上的負載電流，從而所述差信號表示了實際的負載電流。
2. 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述計算電路被布置成從 第一電信號中減去第二電信號、或者將第一電信號和具有相反極性的 第二電信號的值相加。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器包括第一 轉(zhuǎn)換器電路(1)，用于將直流輸入(12)轉(zhuǎn)換成交流信號以激勵所 述初級電路(3， 12)。
4. 如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器還包括第二轉(zhuǎn) 換器電路(6， 7)，用于將次級交流信號轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓以便傳 輸負載電流。
5. 如任一前述權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述電路元件U3) 是與所述變壓器(4)的初級電路(3， 12)串聯(lián)的電阻器。
6. 如任一前述權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述輔助電路包括 靠近地耦接至次級電路的次級線圈(5a、 5b)的輔助線圈(14)，由于靠近地耦接至次級線圈(5a、 5b)的原因而在所述輔助線圈兩端感 應(yīng)出了一個輔助電壓，所述輔助電路還包括用于針對時間對所述輔助 電壓進行積分以導(dǎo)出第二電信號的積分電路(16， 17)。
7. 如權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述積分電路(16， 17) 包括電阻器/電容器組合。
8. 如權(quán)利要求l至7之一所述的轉(zhuǎn)換器，包括用于對差信號進 行整流以導(dǎo)出表示實際負載電流的信號的同步整流器(23)。
9. 如權(quán)利要求1至7之一所述的轉(zhuǎn)換器，包括用于導(dǎo)出差信號 的模以得到表示實際負載電流的信號的絕對值檢測器(25)。
10. 如權(quán)利要求l至7之一所述的轉(zhuǎn)換器，包括用于對變壓器的 磁化感應(yīng)中的直流電流分量進行補償?shù)难a償電路(27， 30， 32)。
11. 如權(quán)利要求IO所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述補償電路被操作來 在負載電流為0或者接近為0的時間窗口期間，基于第一電信號與第 二電信號之間的差來產(chǎn)生誤差信號，所述誤差信號被反饋以產(chǎn)生一個 偏移信號來改變饋至所述計算電路的第一電信號或第二電信號的幅 值。
12. —種用于導(dǎo)出電信號的方法，所述電信號表示電能轉(zhuǎn)換器所 產(chǎn)生的負載電流，所述電能轉(zhuǎn)換器包括具有初級電路(3， 12)和次 級電路的變壓器(4)，所述方法包括導(dǎo)出表示所述初級電路(3， 12)中的電流的第一電信號，導(dǎo)出表示流經(jīng)所述變壓器(4)的磁化 電流的第二電信號，以及對第一電信號和第二電信號進行組合以導(dǎo)出 差信號，所述差信號表示反映到所述變壓器的初級側(cè)上的負載電流， 從而所述差信號表示了實際的負載電流。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述差信號表示作為時間 的函數(shù)的負載電流的變化。
全文摘要
諧振轉(zhuǎn)換器包括用于在可控頻率下提供脈沖來對變壓器(4)的初級電路(3，12)進行供電的切換電路(1)。變壓器(4)的次級線圈(5a、5b)對經(jīng)過整流的交流信號進行傳輸，隨后產(chǎn)生負載電流。在初級側(cè)，轉(zhuǎn)換器具有用于導(dǎo)出表示所述初級電路(3，12)中的電流的第一電信號的電阻器(13)，以及靠近地耦接至次級線圈(5a、5b)的輔助線圈(14)，由于靠近地耦接至次級線圈(5a、5b)的原因，因此在所述輔助線圈兩端感應(yīng)出了一個輔助電壓。電阻器/電容器組合(16，17)針對時間對輔助電壓進行積分，從而得到第二電信號。計算電路(19)對第一信號和第二信號進行組合以便從第一信號中有效地減去第二信號而導(dǎo)出差信號，差信號表示反映到所述變壓器(4)的初級側(cè)上的負載電流，從而表示了實際的負載電流。
文檔編號H02M3/24GK101622777SQ200880006263
公開日2010年1月6日 申請日期2008年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月27日
發(fā)明者漢斯·哈爾貝施塔特 申請人:Nxp股份有限公司