交错变换器电流采样电路、采样控制方法及其应用与流程

本发明涉及一种电流采样技术领域，尤其涉及一种交错变换器电流采样电路、采样控制方法及其应用。

背景技术：

一般两相交错变换器采用两路独立的电流采样，这种采样方式控制简单，但对于有隔离要求或者电流双向流动的拓扑，此种采样方式需要用到隔离器件或者运算放大器，一般的隔离器件(如光耦、磁隔离芯片等)采样有较大的延时，并且需要隔离供电，电路复杂，成本高。如图所示的无桥交错pfc电路，其电感(l1和l2)电流、双向开关管(s1和s2)电流是双向流动的，业界常见的电流采样方式是采用取样电阻r1和r2，经隔离光耦u1和u2，连接到控制器。这种采样方式由于光耦成本高、有延时而且需要额外的隔离电源供电，限制了该拓扑的高频应用及高功率密度应用。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种交错变换器电流采样电路，其能解决成本高和有延时的问题。

本发明的目的之二在于提供一种交错变换器电流采样电路的电流采样控制方法，其能解决成本高和有延时的问题。

本发明的目的之三在于提供一种带电流采样的两路交错并联pfc电路，其能解决两路交错并联pfc电路中电流采样成本高和有延时的问题。

本发明的目的之四在于提供一种带电流采样的viennapfc电路，其能解决viennapfc电路中电流采样成本高和有延时的问题。

本发明的目的之一采用以下技术方案实现：

一种交错变换器电流采样电路，其包括电流互感器、第一开关、第二开关、电源以及采样处理电路；其中：

所述电流互感器包括第一原边绕组、第二原边绕组和副边绕组，所述第一开关和第一原边绕组串联后构成第一变换器，第二开关和第二原边绕组串联后构成第二变换器，所述第一变换器和第二变换器的两端均连接至电源；所述采样处理电路连接至所述副边绕组的两端；

所述第一开关和第二开关以移相180度的方式实现交错工作；所述电源为交流电源，第一开关和第二开关在交流电源的一个周期内流过正向电流或反向电流，第一开关和第二开关在相邻的开关周期内流过相同方向的电流；所述开关周期远小于交流电源的周期；正向电流或负向电流流过第一变换器和第二变换器时，当一路电流从第一变换器的原边绕组的同名端流向异名端时，则在相邻开关周期内另一路电流从第二变换器的原边绕组的异名端流向同名端。

进一步地，所述第一开关和第二开关以移相180度的方式实现交错工作，为：

所述第一开关和第二开关的导通与关断均以预设的开关周期为基准进行周期性工作，当第一开关导通时对应的相位范围为[360n+x，360n+y]时，则相邻的开关周期内第二开关导通时对应的相位范围为[360n+t+x，360n+t+y]或[360n-t+x，360n-t+y]，n为自然数，0°＜(y-x)＜360°，150°≤t≤210°。

进一步地，所述第一开关和第二开关均为mosfet管、igbt管、gan管、三极管、晶闸管和继电器中的任一种，或者它们的组合构成的双向开关。

进一步地，所述采样处理电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管以及第一电阻，所述第一二极管和第三二极管的负极均连接至第一电阻的第一端，所述第二二极管和第四二极管的正极均连接至第一电阻的第二端，所述第二二极管和第四二极管的负极分别连接至第一二极管和第三二极管的正极；所述副边绕组的同名端连接至第一二极管的正极和第二二极管的负极之间，所述副边绕组的异名端连接至第三二极管的正极和第四二极管的负极之间；所述第一电阻的第二端接地，对所述第一电阻第一端上的电流进行采集。

进一步地，所述采样处理电路还包括控制器，所述控制器的采样信号输入端连接至所述第一电阻的第一端；所述控制器还用于控制第一开关和第二开关的导通时间。

进一步地，所述控制器为dsp处理器。

本发明的目的之二采用以下技术方案实现：

一种采用本发明目的之一的交错变换器电流采样电路进行电流采样的控制方法，其包括以下步骤：

获取第一开关和第二开关的导通时间；

通过采样处理电路在第一开关导通时间的中点和第二开关导通时间的中点进行电流采集，分别得到第一变换器的平均电流和第二变换器的平均电流。

本发明的目的之三采用以下技术方案实现：

一种带电流采样的两路交错并联pfc电路，将本发明目的之一的交错变换器电流采样电路应用于两路交错并联pfc电路中，所述两路交错并联pfc电路包括交流电源、以及交错并联的第一pfc电路和第二pfc电路，所述交流电源连接至第一pfc电路和第二pfc电路的输入端，所述第一pfc电路和第二pfc电路分别包括第一开关管和第二开关管，所述第一原边绕组和第二原边绕组分别与第一开关管和第二开关管串联形成第一变换器和第二变换器。

进一步地，所述第一pfc电路和第二pfc电路均为boost电路；

或者所述第一pfc电路还包括第一电感、第一续流二极管、第二续流二极管；所述第二pfc电路还包括第二电感、第三续流二极管、第四续流二极管；所述第一续流二极管和第三续流二极管的负极连接至两路交错并联pfc电路的输出端，所述第二续流二极管和第四续流二极管的负极分别连接至第一续流二极管和第三续流二极管的正极，所述第二续流二极管和第四续流二极管的正极接地；所述第一pfc电路和第二pfc电路的输出直流侧采用串联的第五二极管和第六二极管，所述第五二极管的负极连接至两路交错并联pfc电路的输出端，所述第六二极管的负极连接至第五二极管的正极，所述第六二极管的正极接地；所述第一开关管的输出端连接至第一原边绕组的异名端，所述第一原边绕组的同名端连接至交流电源的第一端，所述第一开关管的输入端以及第一电感的第一端均连接至第二续流二极管的负极和第一续流二极管的正极之间，所述第一电感的第二端与交流电源的第二端相连；所述第二开关管的输出端连接至第二原边绕组的同名端，所述第二原边绕组的异名端连接至交流电源的第一端，所述第二开关管的输入端以及第二电感的第一端均连接至第四续流二极管的负极和第三续流二极管的正极之间，所述第二电感的第二端与交流电源的第二端相连。

本发明的目的之四采用以下技术方案实现：

一种带电流采样的viennapfc电路，将本发明目的之一的交错变换器电流采样电路应用于viennapfc电路；

所述viennapfc电路包括a相两路交错并联pfc电路、b相两路交错并联pfc电路和c相两路交错并联pfc电路，所述交错变换器电流采样电路为三个，分别为第一交错变换器电流采样电路、第二交错变换器电流采样电路和第三交错变换器电流采样电路；

所述a相两路交错并联pfc电路包括a相交流电源、以及交错并联的第一a相pfc电路和第二a相pfc电路，所述a相交流电源连接至第一a相pfc电路和第二a相pfc电路的输入端，所述第一a相pfc电路和第二a相pfc电路分别包括第一a相开关管和第二a相开关管，所述第一交错变换器电流采样电路中的第一原边绕组和第二原边绕组分别与第一a相开关管和第二a相开关管串联形成第一交错变换器电流采样电路的第一变换器和第二变换器；

所述b相两路交错并联pfc电路包括b相交流电源、以及交错并联的第一b相pfc电路和第二b相pfc电路，所述b相交流电源连接至第一b相pfc电路和第二b相pfc电路的输入端，所述第一b相pfc电路和第二b相pfc电路分别包括第一b相开关管和第二b相开关管，所述第二交错变换器电流采样电路中的第一原边绕组和第二原边绕组分别与第一b相开关管和第二b相开关管串联形成第二交错变换器电流采样电路的第一变换器和第二变换器；

所述c相两路交错并联pfc电路包括c相交流电源、以及交错并联的第一c相pfc电路和第二c相pfc电路，所述c相交流电源连接至第一c相pfc电路和第二c相pfc电路的输入端，所述第一c相pfc电路和第二c相pfc电路分别包括第一c相开关管和第二c相开关管，所述第三交错变换器电流采样电路中的第一原边绕组和第二原边绕组分别与第一c相开关管和第二c相开关管串联形成第三交错变换器电流采样电路的第一变换器和第二变换器。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明充分利用了交错变换器的180度交错特性，通过将电流进行正反布置，将采样电路合二为一，大大减少了交错变换器电流取样电路的器件数目，而且不需要额外的辅助电源供电，不但成本低、无延时，适合高频、高功率密度应用。

附图说明

图1为现有交错变换器的电流采样电路的电路原理图；

图2为本发明的交错变换器电流采样电路的电路原理图；

图3为本发明的交错变换器电流采样控制方法的原理图；

图4为图3中占空比不大于50％时的波形图；

图5为图3中占空比大于50％时的波形图；

图6为交错变换器电流采样电路在两路交错并联pfc电路中应用的电路原理图；

图7为交错变换器电流采样电路在viennapfc电路中应用的电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明进行更为详细的描述，需要说明的是，下参照附图对本发明进行的描述仅是示意性的，而非限制性的。各个不同实施例之间可以进行相互组合，以构成未在以下描述中示出的其他实施例。

实施例一

请参照图2所示，一种交错变换器电流采样电路，其包括电流互感器ct、第一开关s1、第二开关s2、电源以及采样处理电路；其中：电流互感器ct包括第一原边绕组、第二原边绕组和副边绕组，所述第一开关s1和第一原边绕组串联后构成第一变换器，第二开关s2和第二原边绕组串联后构成第二变换器，所述第一变换器和第二变换器的两端均连接至电源；所述采样处理电路连接至所述副边绕组的两端。

第一变换器和第二变换器为并联结构，且二者以移相180°的方式交错工作，其是通过第一开关s1和第二开关s2的移相180度的方式实现交错工作。

第一开关s1和第二开关s2的导通与关断均以预设的开关周期为基准进行周期性工作所述第一开关和第二开关在相邻的开关周期流过相同方向的电流；开关周期远小于交流电源的周期；这里的移相180度是一个相对概念，当第一开关导通时对应的相位范围为[360n+x，360n+y]时，则相邻的开关周期内第二开关导通时对应的相位范围为[360n+t+x，360n+t+y]或[360n-t+x，360n-t+y]，n为自然数，0°＜(y-x)＜360°，150°≤t≤210°，t优选为180°。，假设在0°～360°这个周期内，第一开关s1导通时对应的相位是[50°，100°]，其余时间第一开关s1处于截止状态，则相邻开关周期内第二开关s2导通时对应的相位是[200°，310°]或者[-160°，-50°]，优选相邻开关周期内第二开关s2导通时对应的相位是[230°，280°]或者[-130°，-80°]，其余时间第二开关s2也处于截止状态。

需要说明的是：1、第一开关和第二开关的开关周期在工频范围内是缓慢变化的；2、第一开关和第二开关的占空比工频范围内是缓慢变化的；3、即使t＝180°时，第一开关和第二开关在相邻的开关周期内导通时间也不是绝对相等的，而是近似相等。

电源采用某固定频率例如50hz的交流电源，该电源在一个时间周期内被分为正半周期和负半周期，正负半周期的时间相等且在其中一个半周期(例如正半周期)时形成正向电流，则在另一个半周期(例如负半周期)时形成负向电流。正向电流或负向电流流过第一变换器和第二变换器时，这里称流经第一变换器的电流为第一路电流，流经第二变换器的电流为第二路电流，则当第一路电流(无论是正向电流还是负向电流)从第一变换器的原边绕组的同名端流向异名端时，则在相邻的开关周期内第二路电流从第二变换器的原边绕组的异名端流向同名端。反之，如果第一路电流(无论是正向电流还是负向电流)从第一变换器的原边绕组的异名端流向同名端时，则在相邻的开关周期内第二路电流从第二变换器的原边绕组的同名端流向异名端。即无论是正向电流还是负向电流，对于第一变换器和第二变换器而言，其通过原边绕组的方式刚好相反，例如，当电源处于正半周期时，假设此时形成正向电流，并且通过第一原边绕组时从第一原边绕组的同名端流向第一原边绕组的异名端；则该正向电流通过第二原边绕组时，是从第二原边绕组的异名端流向第二原边绕组的同名端。对于负向电流亦是如此。

第一开关s1和第二开关s2可以采用常见的电力电子开关管或者双向开关管，包括mosfet、igbt、gan、三极管等，也可以是晶闸管或继电器等，或者它们之间的两个或两个以上组成的双向开关。在原边绕组上设置第一开关s1和第二开关s2的这种连接方式，可以方便的实现对第一开关s1和第二开关s2上交错的脉冲电流采样。

采样处理电路可以有多种形式，这里并不做具体限定，只要能获取副边上流过的电流即可，在本发明较佳的实施中，举出了一种电流采样方式的采样处理电路，请参照图3所示，采样处理电路包括第一二极管d7、第二二极管d8、第三二极管d9、第四二极管d10以及第一电阻，所述第一二极管d7和第三二极管d9的负极均连接至第一电阻的第一端，所述第二二极管d8和第四二极管d10的正极均连接至第一电阻的第二端，所述第二二极管d8和第四二极管d10的负极分别连接至第一二极管d7和第三二极管d9的正极；所述副边绕组的同名端连接至第一二极管d7的正极和第二二极管d8的负极之间，所述副边绕组的异名端连接至第三二极管d9的正极和第四二极管d10的负极之间；所述第一电阻的第二端接地，对所述第一电阻第一端上的电流进行采集。

对第一电阻第一端上的电流进行采集的方法可以通过控制器来实现，控制器可以采用dsp处理器及其外围电路实现，也可以采用其他的实时信号处理器例如fpga以及arm等实现，这里不做限定。例如，采用dsp处理器时，可以通过dsp处理器的a/d采样端(即采样信号输入端)来得到采样处理电路获取的电流信号。另外，还可以通过控制器来控制第一开关和第二开关的导通时间，进而实现调整第一开关和第二开关的占空比，达到调节电流或者对电路进行保护的目的。

下面对其工作原理进行解释和说明。

请参照图3所示，第一开关s1和第二开关s2高频工作(如50khz即50千赫兹)在一个相对长的时间周期(如常见的市电工频50hz即50赫兹正半周期)内会流过正向电流i1和i2，而在另一个时间周期内(如常见的市电工频50hz负半周期)内会流过负向电流i1’和i2’。为方便起见，以下仅讨论流过正向电流i1和i2的情形。

当第一开关s1和第二开关s2流过电流的占空比小于50％时，如图4所示，i1和i2有一段时间同时为0，ct副边经整流桥整流之后的电压为两个波形叠加，当采用数字控制器dsp采样vsense端(第一电阻的第一端)的电压时，可以控制dsp的ad采样在vsense端的斜坡电压的中点采样，而且根据计数器及时序，可以在第一开关s1导通时间的中点采样到第一变换器的电流平均值，而在第二开关s2导通时间的中点采样到第二变换器的电流平均值，这两个电流的平均值经控制器处理，用于控制相应开关的占空比或者保护。

当第一开关s1和第二开关s2流过电流的占空比大于50％时，如图5所示，i1和i2有一段时间叠加，由于ct原边是两个相反方向的电流流入，实际上这段叠加的电流在ct副边形成相减的效果，因此经整流桥整流之后的电压在时间重叠期间保持水平，而在不重叠时间内保持斜坡电流形状。

假设第一开关s1和第二开关s2的占空比相等(近似相等)并且不等于0或100％，由上面的分析可知，只要dsp的ad采样发生在第一开关s1或第二开关s2导通时间的中点时刻，ad采样到的电流值仍旧是每一路电流的平均值，该值仅仅跟中点时刻ct取样电阻的电压波形有关，跟重叠时间内波形的变化无关。因此，只要第一开关s1或第二开关s2的占空比不为0或者100％，通过dsp采样时间恒定在第一开关s1和第二开关s2导通时间的中点，都能采样到准确第一变换器和第二变换器的平均电流值。

由于该电路的对称性，当第一开关s1和第二开关s2流过负向电流i1’和i2’时的情形工作状况类似，不再赘述。

由以上的结构和工作原理可知：本发明充分利用了交错变换器的180度交错特性，通过将电流进行正反布置，将采样电路合二为一，大大减少了交错变换器尤其是pfc电路电流取样电路的器件数目，并且dsp在算法及资源等方面的复杂度没有增加，只是时序方面的调整；同时，由于不需要额外的辅助电源及运算放大器，节省了成本，而且电流取样没有延时，适合更高功率密度和更高频率应用。

实施例二

根据实施例一的电路结构以及工作原理，可以得到实施例一提及的交错变换器电流采样电路的具体的电流采样控制方法，其主要包括以下步骤：

获取第一开关s1和第二开关s2的导通时间；

通过采样处理电路在第一开关s1导通时间的中点和第二开关s2导通时间的中点进行电流采集，从而就得到了第一变换器的平均电流(第一开关s1导通时间的中点时采集的电流值)和第二变换器的平均电流(第二开关s2导通时间的中点时采集的电流值)。

控制器根据采样得到的平均电流进行控制与计算，输出控制量，对第一开关和第二开关的导通时间以及开关周期进行控制，达到调节电流或者对电路进行保护的目的。

实施例三

实施例三示出了实施例一交错变换器电流采样电路在两路交错并联pfc电路的应用。

这里不对两路交错并联pfc电路具体呈现形式进行限定，只要包括交错并联的第一pfc电路和第二pfc电路且应用了实施例一中的交错变换器电流采样电路均在本发明的保护范围，交错并联pfc电路可以是交错并联无桥pfc电路，也可以是交错并联非无桥pfc电路。两路交错并联pfc电路的交流电源为第一pfc电路和第二pfc电路提供信号输入，第一pfc电路和第二pfc电路分别包括第一开关管和第二开关管，所述第一原边绕组和第二原边绕组分别与第一开关管和第二开关管串联形成第一变换器和第二变换器。

由上可知，在应用方式上，可以理解为将实施例一的交错变换器电流采样电路替换第一pfc电路的第一开关管和第二pfc电路的第二开关管，来实现对两路交错并联pfc电路的电流进行采样。

第一pfc电路和第二pfc电路可以采样常规的升压boost电路。也可以采用图6所示的结构：

第一pfc电路还包括第一电感l1、第一续流二极管d1、第二续流二极管d2；所述第二pfc电路还包括第二电感l2、第三续流二极管d3、第四续流二极管d4；所述第一续流二极管d1和第三续流二极管d3的负极连接至两路交错并联pfc电路的输出端，所述第二续流二极管d2和第四续流二极管d4的负极分别连接至第一续流二极管d1和第三续流二极管d3的正极，所述第二续流二极管d2和第四续流二极管d4的正极接地；所述第一pfc电路和第二pfc电路的输出直流侧采用串联的第五二极管d5和第六二极管d6，所述第五二极管d5的负极连接至两路交错并联pfc电路的输出端，所述第六二极管d6的负极连接至第五二极管d5的正极，所述第六二极管d6的正极接地；所述第一开关管s1的输出端连接至第一原边绕组的异名端，所述第一原边绕组的同名端连接至交流电源的第一端，所述第一开关管的输入端以及第一电感l1的第一端均连接至第二续流二极管d2的负极和第一续流二极管d1的正极之间，所述第一电感l1的第二端与交流电源的第二端相连；所述第二开关管s2的输出端连接至第二原边绕组的同名端，所述第二原边绕组的异名端连接至交流电源的第一端，所述第二开关管的输入端以及第二电感l2的第一端均连接至第四续流二极管d4的负极和第三续流二极管d3的正极之间，所述第二电感l2的第二端与交流电源的第二端相连。

当然，上述的第五二极管d5和第六二极管d6也可以通过两个电容进行替换。两路交错并联pfc电路的输出端(直流侧)还设置有电容c1和电阻r3，电容c1和电阻r3并联后的第二端接地，电容c1和电阻r3并联后的第一端连接至第五二极管d5的负极。

采样处理电路采用实施例一的结构，对电阻r4的第一端(即二极管d9的负极端)进行信号采集即可得到第一pfc电路和第二pfc电路的平均电流大小，同时控制器再对电阻r3的第一端的电压进行采集，控制器通过处理电压电流采样信号，形成对第一开关管s1和第二开关管s2的开关周期(占空比)控制及保护等。值得指出的是，在本拓扑中，第一开关管s1和第二开关管s2共用一个电流互感器，电路简单成本低；如果第一开关管s1和第二开关管s2采用两个独立的电流互感器时，电流互感器数目至少是2个，而且由于第一开关管s1和第二开关管s2的电流是以工频双向流动的，电流互感器的副边电路比较复杂，限制了实际应用。

实施例四

实施例四示出了实施例一交错变换器电流采样电路在viennapfc电路的应用。

这里不对viennapfc电路本身进行限定，只要将实施例一中的交错变换器电流采样电路应用于交错viennapfc电路中，均在本申请的保护范围之内。

请参照图7所示，交错viennapfc电路包括a相两路交错并联pfc电路、b相两路交错并联pfc电路和c相两路交错并联pfc电路，所述交错变换器电流采样电路为三个，分别为第一交错变换器电流采样电路、第二交错变换器电流采样电路和第三交错变换器电流采样电路。图7中示出了三个交错变换器电流采样电路中其中一个采样处理电路的结构，其余与之相同，这里以框图替代。

将三个交错变换器电流采样电路分别应用于三相的两路交错并联pfc电路中，具体是：

所述a相两路交错并联pfc电路包括a相交流电源、以及交错并联的第一a相pfc电路和第二a相pfc电路，所述a相交流电源连接至第一a相pfc电路和第二a相pfc电路的输入端，所述第一a相pfc电路和第二a相pfc电路分别包括第一a相开关管和第二a相开关管，所述第一交错变换器电流采样电路中的第一原边绕组和第二原边绕组分别与第一a相开关管和第二a相开关管串联形成第一交错变换器电流采样电路的第一变换器和第二变换器。

所述b相两路交错并联pfc电路包括b相交流电源、以及交错并联的第一b相pfc电路和第二b相pfc电路，所述b相交流电源连接至第一b相pfc电路和第二b相pfc电路的输入端，所述第一b相pfc电路和第二b相pfc电路分别包括第一b相开关管和第二b相开关管，所述第二交错变换器电流采样电路中的第一原边绕组和第二原边绕组分别与第一b相开关管和第二b相开关管串联形成第二交错变换器电流采样电路的第一变换器和第二变换器。

所述c相两路交错并联pfc电路包括c相交流电源、以及交错并联的第一c相pfc电路和第二c相pfc电路，所述c相交流电源连接至第一c相pfc电路和第二c相pfc电路的输入端，所述第一c相pfc电路和第二c相pfc电路分别包括第一c相开关管和第二c相开关管，所述第三交错变换器电流采样电路中的第一原边绕组和第二原边绕组分别与第一c相开关管和第二c相开关管串联形成第三交错变换器电流采样电路的第一变换器和第二变换器。

对于控制器而言，可以采用三个，当然，也可以采用图7所示的一个即可，该控制器可以实现对三个交错变换器电流采样电路的六个开关管的平均电流进行采集，还可以采集交错viennapfc电路的输出电压。

对于业界常见的交错viennapfc电路，其电流电流取样方式是类似背景技术提到的取样电阻加隔离光耦方案，由于有多达6路电流取样，而且器件众多，该方案所占pcb面积很大，而且容易受到干扰。采用本发明提到的方案，则简化为3个电流互感器及相关的采样处理电路，不但成本低，而且器件数目少，不增加控制方面的复杂度，控制器的处理难度并不高，因此实施例一的交错变换器电流采样电路在viennapfc中应用更加有优势。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。