雙向電流感測電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及功率電子設備。更具體地，本發(fā)明涉及雙向電壓轉(zhuǎn)換器中的電流感測。
【背景技術(shù)】
[0002]電流感測電路通常被包括在電壓轉(zhuǎn)換器中以提供對流經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)元件的電流的測量。例如，這種測量可以用于控制電壓轉(zhuǎn)換器的操作或者用于檢測諸如過流之類的故障。
[0003]雙向電壓轉(zhuǎn)換器已經(jīng)用于將兩個或多個不同的DC總線連接在一起。例如，雙向電壓轉(zhuǎn)化器典型地包括在混合動力車輛中，以在用于向混合動力的電動機供電的高電壓電池和用于向混合動力車輛的常規(guī)電子系統(tǒng)(例如，無線電廣播、燈、儀表盤界面等)供電的常規(guī)12伏電池之間傳遞能量。雙向電壓轉(zhuǎn)換器還已經(jīng)用于航空應用，以將電池耦合至用于各種飛行控制系統(tǒng)的高電壓總線。在雙向電壓轉(zhuǎn)換器中，既輸出正電流也輸出負電流，使得要求電流感測電路感測沿任一方向流動的電流。電流感測是在雙向電壓轉(zhuǎn)換器中控制能量的傳遞(例如，在高電壓和低電壓電池之間)以及提供對過流情況的檢測所必需的。電流感測放大器典型地已經(jīng)包括在雙向電流感測電路中，使得可以檢測和測量沿任一方向流動的電流。電流感測放大器需要具有較高的小信號帶寬，以檢測操作在相對較高的頻率上的雙向電壓轉(zhuǎn)換器中的瞬時電流。更具體地，除非電流感測放大器具有比雙向電壓轉(zhuǎn)換器的電流回路的帶寬更高的帶寬，電流感測放大器將是太緩慢的以至于不能控制電流回路。例如，電流感測放大器可以具有比電流回路的頻率高5至10倍的開關(guān)頻率，以確保足夠快地傳輸電流反饋信息以控制電流回路。電流感測放大器還需要具有較寬的共模輸入電壓范圍，以感測雙向電壓轉(zhuǎn)換器的高壓側(cè)的電流。
[0004]電流感測放大器典型地基于感測電阻器上的電壓降來感測電流。然而由于感測電阻器引起的功率損耗，電流感測放大器降低了雙向電壓轉(zhuǎn)換器的效率。
[0005]已經(jīng)將雙向電流感測放大器電路制造為集成電路，以試圖提高這些電路的效率。然而，這些集成的電流感測放大器電路通常將表示零電流的輸出電流感測信號設置為中間參考電壓，例如2.5V。將沿一個方向的電流表示為從參考電壓到上限或全刻度的電壓，例如從2.5V至5.0V。將沿相反方向的電流表示為從參考電壓到下限或零的電壓，例如從2.5V至0.0V。只有全刻度電壓的一半用于表示沿每一個方向的電流。需要諸如放大器、雙向開關(guān)等附加電路來允許沿兩個電流方向(例如，沿一個方向從0.0V至5.0V，以及沿另一方向從0.0V至5.0V)表示的全刻度電壓，其中在兩個電流方向上將零安培表示為零電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服如上所述的問題，本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供一種包括雙向電流感測電路在內(nèi)的雙向非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器，所述雙向電流感測電路使用對沿任一方向流動的電流加以表示的全刻度電流感測信號進行簡單和有效的電流感測，甚至在較高的頻率下亦是如此。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，一種具有電流感測電路的雙向電壓轉(zhuǎn)換器包括:第一子電路，包括彼此串聯(lián)連接的高電壓端子、第一開關(guān)裝置和第一變壓器的第一初級繞組；第二子電路，包括彼此串聯(lián)連接的第二開關(guān)裝置、第二變壓器的第二初級繞組和接地端子；低電壓端子，經(jīng)由電感器連接至第一子電路和第二子電路之間的點；彼此串聯(lián)連接的第三開關(guān)裝置和第一變壓器的第一次級繞組；彼此串聯(lián)連接的第四開關(guān)裝置和第二變壓器的第二次級繞組；以及控制電路，配置為控制所述第一開關(guān)裝置、第二開關(guān)裝置、第三開關(guān)裝置和第四開關(guān)裝置的接通和關(guān)斷切換。所述第三和第四開關(guān)裝置被包括在電流感測電路中，并且與電流感測端子相連；以及所述電流感測電路在電流感測端子處產(chǎn)生電壓波形，所述電壓波形對流過第一開關(guān)裝置和第二開關(guān)裝置中的至少一個的電流加以表示。
[0008]優(yōu)選地，所述控制電路配置為控制所述第一開關(guān)裝置和第三開關(guān)裝置同時或者基本上同時地接通和關(guān)斷，并且控制所述第二開關(guān)裝置和第四開關(guān)裝置同時或基本上同時接通和關(guān)斷；或者所述控制電路配置為控制所述第三開關(guān)裝置在所述第一開關(guān)裝置接通或關(guān)斷之后的延遲時間段的末端接通或關(guān)斷，并且控制所述第四開關(guān)裝置在所述第二開關(guān)裝置接通或關(guān)斷之后的延遲時間段的末端接通或關(guān)斷。
[0009]優(yōu)選地，所述雙向電壓轉(zhuǎn)換器還包括:第一 RC電路，連接在所述控制電路和第三開關(guān)裝置之間，并且配置為延遲第三開關(guān)裝置的接通或關(guān)斷；以及第二 RC電路，連接在所述控制電路和第四開關(guān)裝置之間，并且配置為延遲第四開關(guān)裝置的接通或關(guān)斷。優(yōu)選地，在所述電壓轉(zhuǎn)換器的降壓模式操作的接通時間期間，第一開關(guān)裝置和第三開關(guān)裝置接通，而第二開關(guān)裝置和第四開關(guān)裝置關(guān)斷；以及在所述電壓轉(zhuǎn)換器的降壓模式操作的關(guān)斷時間期間，第一開關(guān)裝置和第三開關(guān)裝置關(guān)斷，而第二開關(guān)裝置和第四開關(guān)裝置接通。
[0010]優(yōu)選地，在所述電壓轉(zhuǎn)換器的升壓模式操作的接通時間期間，第一開關(guān)裝置和第三開關(guān)裝置關(guān)斷，而第二開關(guān)裝置和第四開關(guān)裝置接通；以及在所述電壓轉(zhuǎn)換器的升壓模式操作的關(guān)斷時間期間，第一開關(guān)裝置和第三開關(guān)裝置接通，而第二開關(guān)裝置和第四開關(guān)裝置關(guān)斷。優(yōu)選地，所述電流感測端子包括并聯(lián)接地的二極管和輸出電阻器；以及所述二極管設置為將輸出電阻器上的電壓鉗制為二極管的電壓降。
[0011]優(yōu)選地，所述電流感測端子包括參考電壓以及配置為對電流感測端子進行偏置的分壓器。
[0012]優(yōu)選地，所述雙向電壓轉(zhuǎn)換器還包括:第五開關(guān)裝置，與所述第三開關(guān)裝置和所述第一次級繞組串聯(lián)連接；以及第六開關(guān)裝置，與所述第四開關(guān)裝置和所述第二次級繞組串聯(lián)連接。優(yōu)選地，所述控制電路配置為使第五開關(guān)裝置與第三開關(guān)裝置同時或基本上同時地接通或關(guān)斷，并且使第六開關(guān)裝置與第四開關(guān)裝置同時或基本上同時地接通或關(guān)斷。優(yōu)選地，所述第五開關(guān)裝置配置為當所述第三開關(guān)裝置關(guān)斷時防止電流傳導通過第三開關(guān)裝置的體二極管；以及所述第六開關(guān)裝置配置為當?shù)谒拈_關(guān)裝置關(guān)斷時防止電流傳導通過第四開關(guān)裝置的體二極管。
[0013]優(yōu)選地，所述第一至第六開關(guān)裝置中的至少一個是金屬-氧化物-半導體場效應晶體管。
[0014]優(yōu)選地，所述控制電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器或模擬比較器，并且所述電流感測端子連接所述控制裝置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器或模擬比較器。優(yōu)選地，所述雙向電壓轉(zhuǎn)換器還包括:緩沖電路，連接在所述第一和第二變壓器中的每一個變壓器的初級和次級繞組中的每一個繞組的兩端；其中所述緩沖電路每一個均包括電阻器。優(yōu)選地，所述緩沖電路中的至少一個還包括電容器。
[0015]優(yōu)選地，所述雙向電壓轉(zhuǎn)換器還包括:第一“與”門，包括與所述第一開關(guān)裝置的控制端子相連的輸出以及與所述第一開關(guān)裝置的偏置電壓和控制信號相連的輸入；以及第二“與”門，包括與所述第二開關(guān)裝置的控制端子相連的輸出以及與所述第二開關(guān)裝置的偏置電壓和控制信號相連的輸入。
[0016]優(yōu)選地，所述雙向電壓轉(zhuǎn)換器還包括:分壓器，與所述低電壓端子相連；以及平均電流模式控制電路，包括與所述分壓器相連的第一輸入以及與所述電流感測端子相連的第二輸入。優(yōu)選地，所述平均模式電流控制電路包括控制電路和脈沖寬度調(diào)制控制器；以及所述平均電流模式控制電路的脈沖寬度調(diào)制控制器輸出脈沖寬度調(diào)制信號以控制所述第一開關(guān)裝置和第二開關(guān)裝置。優(yōu)選地，所述平均模式電流控制電路包括:第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有與所述第一輸入和數(shù)字參考電壓相連的輸入以及與電壓模式控制器相連的輸出；第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有與所述第二輸入和所述電壓模式控制器的輸出相連的輸入以及與電流模式控制器相連的輸出；以及模擬比較器，具有與所述第二輸入和電流限制參考信號相連的輸入以及與所述脈沖寬度調(diào)制控制器相連的輸出。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，一種多相電壓轉(zhuǎn)換器包括:如這里所述的具有電流感測電路的雙向電壓轉(zhuǎn)換器；以及至少一個次級電壓轉(zhuǎn)換器，與所述雙向電壓轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接。所述至少一個次級電壓轉(zhuǎn)換器包括次級驅(qū)動器、與所述高電壓端子相連的第一次級開關(guān)裝置以及經(jīng)由次級電感器與所述低電壓端子相連的第二次級開關(guān)裝置；以及所述控制電路還配置為控制所述第一次級開關(guān)裝置和所述第二次級開關(guān)裝置的接通和關(guān)斷切換。
[0018]根據(jù)下述參考附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細描述，本發(fā)明的以上和其他特征、元件、步驟、結(jié)構(gòu)、特征和優(yōu)點將變得更加清楚明白。
【附圖說明】
[0019]圖1是根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的包括雙向電流感測電路在內(nèi)的雙向非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。
[0020]圖2-4示出了與操作在降壓模式下的圖1所示的雙向非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的波形。
[0021]圖5-7示出了與操作在升壓模式下的圖1所示的雙向非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的波形。
[0022]圖8是根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的包括雙向電流感測電路在內(nèi)的雙向非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。
[0023]圖9是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的平均電流模式控制電路的電路圖。
[0024]圖10是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多相轉(zhuǎn)換器的電路圖。
【具體實施方式】
[0025]現(xiàn)在將參考圖1至圖10詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。注意:以下描述在所有方面都是說明性而非限制性的，并且不應該解釋為按照任何方式限制本發(fā)明的應用和使用。
[0026]圖1是根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的包括雙向電流感測電路110在內(nèi)的雙向非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器100的電路圖。圖2-4示出了與操作在降壓模式下的圖1所示的雙向非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器100相關(guān)聯(lián)的波形。圖5-