双向电流感测电路的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及功率电子设备。更具体地，本发明涉及双向电压转换器中的电流感测。
【背景技术】
[0002]电流感测电路通常被包括在电压转换器中以提供对流经电压转换器的开关元件的电流的测量。例如，这种测量可以用于控制电压转换器的操作或者用于检测诸如过流之类的故障。
[0003]双向电压转换器已经用于将两个或多个不同的DC总线连接在一起。例如，双向电压转化器典型地包括在混合动力车辆中，以在用于向混合动力的电动机供电的高电压电池和用于向混合动力车辆的常规电子系统(例如，无线电广播、灯、仪表盘界面等)供电的常规12伏电池之间传递能量。双向电压转换器还已经用于航空应用，以将电池耦合至用于各种飞行控制系统的高电压总线。在双向电压转换器中，既输出正电流也输出负电流，使得要求电流感测电路感测沿任一方向流动的电流。电流感测是在双向电压转换器中控制能量的传递(例如，在高电压和低电压电池之间)以及提供对过流情况的检测所必需的。电流感测放大器典型地已经包括在双向电流感测电路中，使得可以检测和测量沿任一方向流动的电流。电流感测放大器需要具有较高的小信号带宽，以检测操作在相对较高的频率上的双向电压转换器中的瞬时电流。更具体地，除非电流感测放大器具有比双向电压转换器的电流回路的带宽更高的带宽，电流感测放大器将是太缓慢的以至于不能控制电流回路。例如，电流感测放大器可以具有比电流回路的频率高5至10倍的开关频率，以确保足够快地传输电流反馈信息以控制电流回路。电流感测放大器还需要具有较宽的共模输入电压范围，以感测双向电压转换器的高压侧的电流。
[0004]电流感测放大器典型地基于感测电阻器上的电压降来感测电流。然而由于感测电阻器引起的功率损耗，电流感测放大器降低了双向电压转换器的效率。
[0005]已经将双向电流感测放大器电路制造为集成电路，以试图提高这些电路的效率。然而，这些集成的电流感测放大器电路通常将表示零电流的输出电流感测信号设置为中间参考电压，例如2.5V。将沿一个方向的电流表示为从参考电压到上限或全刻度的电压，例如从2.5V至5.0V。将沿相反方向的电流表示为从参考电压到下限或零的电压，例如从2.5V至0.0V。只有全刻度电压的一半用于表示沿每一个方向的电流。需要诸如放大器、双向开关等附加电路来允许沿两个电流方向(例如，沿一个方向从0.0V至5.0V，以及沿另一方向从0.0V至5.0V)表示的全刻度电压，其中在两个电流方向上将零安培表示为零电压。
【发明内容】
[0006]为了克服如上所述的问题，本发明的优选实施例提供一种包括双向电流感测电路在内的双向非隔离DC-DC转换器，所述双向电流感测电路使用对沿任一方向流动的电流加以表示的全刻度电流感测信号进行简单和有效的电流感测，甚至在较高的频率下亦是如此。
[0007]根据本发明的优选实施例，一种具有电流感测电路的双向电压转换器包括:第一子电路，包括彼此串联连接的高电压端子、第一开关装置和第一变压器的第一初级绕组；第二子电路，包括彼此串联连接的第二开关装置、第二变压器的第二初级绕组和接地端子；低电压端子，经由电感器连接至第一子电路和第二子电路之间的点；彼此串联连接的第三开关装置和第一变压器的第一次级绕组；彼此串联连接的第四开关装置和第二变压器的第二次级绕组；以及控制电路，配置为控制所述第一开关装置、第二开关装置、第三开关装置和第四开关装置的接通和关断切换。所述第三和第四开关装置被包括在电流感测电路中，并且与电流感测端子相连；以及所述电流感测电路在电流感测端子处产生电压波形，所述电压波形对流过第一开关装置和第二开关装置中的至少一个的电流加以表示。
[0008]优选地，所述控制电路配置为控制所述第一开关装置和第三开关装置同时或者基本上同时地接通和关断，并且控制所述第二开关装置和第四开关装置同时或基本上同时接通和关断；或者所述控制电路配置为控制所述第三开关装置在所述第一开关装置接通或关断之后的延迟时间段的末端接通或关断，并且控制所述第四开关装置在所述第二开关装置接通或关断之后的延迟时间段的末端接通或关断。
[0009]优选地，所述双向电压转换器还包括:第一 RC电路，连接在所述控制电路和第三开关装置之间，并且配置为延迟第三开关装置的接通或关断；以及第二 RC电路，连接在所述控制电路和第四开关装置之间，并且配置为延迟第四开关装置的接通或关断。优选地，在所述电压转换器的降压模式操作的接通时间期间，第一开关装置和第三开关装置接通，而第二开关装置和第四开关装置关断；以及在所述电压转换器的降压模式操作的关断时间期间，第一开关装置和第三开关装置关断，而第二开关装置和第四开关装置接通。
[0010]优选地，在所述电压转换器的升压模式操作的接通时间期间，第一开关装置和第三开关装置关断，而第二开关装置和第四开关装置接通；以及在所述电压转换器的升压模式操作的关断时间期间，第一开关装置和第三开关装置接通，而第二开关装置和第四开关装置关断。优选地，所述电流感测端子包括并联接地的二极管和输出电阻器；以及所述二极管设置为将输出电阻器上的电压钳制为二极管的电压降。
[0011]优选地，所述电流感测端子包括参考电压以及配置为对电流感测端子进行偏置的分压器。
[0012]优选地，所述双向电压转换器还包括:第五开关装置，与所述第三开关装置和所述第一次级绕组串联连接；以及第六开关装置，与所述第四开关装置和所述第二次级绕组串联连接。优选地，所述控制电路配置为使第五开关装置与第三开关装置同时或基本上同时地接通或关断，并且使第六开关装置与第四开关装置同时或基本上同时地接通或关断。优选地，所述第五开关装置配置为当所述第三开关装置关断时防止电流传导通过第三开关装置的体二极管；以及所述第六开关装置配置为当第四开关装置关断时防止电流传导通过第四开关装置的体二极管。
[0013]优选地，所述第一至第六开关装置中的至少一个是金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
[0014]优选地，所述控制电路包括模数转换器或模拟比较器，并且所述电流感测端子连接所述控制装置的模数转换器或模拟比较器。优选地，所述双向电压转换器还包括:缓冲电路，连接在所述第一和第二变压器中的每一个变压器的初级和次级绕组中的每一个绕组的两端；其中所述缓冲电路每一个均包括电阻器。优选地，所述缓冲电路中的至少一个还包括电容器。
[0015]优选地，所述双向电压转换器还包括:第一“与”门，包括与所述第一开关装置的控制端子相连的输出以及与所述第一开关装置的偏置电压和控制信号相连的输入；以及第二“与”门，包括与所述第二开关装置的控制端子相连的输出以及与所述第二开关装置的偏置电压和控制信号相连的输入。
[0016]优选地，所述双向电压转换器还包括:分压器，与所述低电压端子相连；以及平均电流模式控制电路，包括与所述分压器相连的第一输入以及与所述电流感测端子相连的第二输入。优选地，所述平均模式电流控制电路包括控制电路和脉冲宽度调制控制器；以及所述平均电流模式控制电路的脉冲宽度调制控制器输出脉冲宽度调制信号以控制所述第一开关装置和第二开关装置。优选地，所述平均模式电流控制电路包括:第一模数转换器，具有与所述第一输入和数字参考电压相连的输入以及与电压模式控制器相连的输出；第二模数转换器，具有与所述第二输入和所述电压模式控制器的输出相连的输入以及与电流模式控制器相连的输出；以及模拟比较器，具有与所述第二输入和电流限制参考信号相连的输入以及与所述脉冲宽度调制控制器相连的输出。
[0017]根据本发明的优选实施例，一种多相电压转换器包括:如这里所述的具有电流感测电路的双向电压转换器；以及至少一个次级电压转换器，与所述双向电压转换器并联连接。所述至少一个次级电压转换器包括次级驱动器、与所述高电压端子相连的第一次级开关装置以及经由次级电感器与所述低电压端子相连的第二次级开关装置；以及所述控制电路还配置为控制所述第一次级开关装置和所述第二次级开关装置的接通和关断切换。
[0018]根据下述参考附图对本发明优选实施例的详细描述，本发明的以上和其他特征、元件、步骤、结构、特征和优点将变得更加清楚明白。
【附图说明】
[0019]图1是根据本发明第一优选实施例的包括双向电流感测电路在内的双向非隔离DC-DC转换器的电路图。
[0020]图2-4示出了与操作在降压模式下的图1所示的双向非隔离DC-DC转换器相关联的波形。
[0021]图5-7示出了与操作在升压模式下的图1所示的双向非隔离DC-DC转换器相关联的波形。
[0022]图8是根据本发明第二优选实施例的包括双向电流感测电路在内的双向非隔离DC-DC转换器的电路图。
[0023]图9是根据本发明优选实施例的平均电流模式控制电路的电路图。
[0024]图10是根据本发明优选实施例的多相转换器的电路图。
【具体实施方式】
[0025]现在将参考图1至图10详细描述本发明的优选实施例。注意:以下描述在所有方面都是说明性而非限制性的，并且不应该解释为按照任何方式限制本发明的应用和使用。
[0026]图1是根据本发明第一优选实施例的包括双向电流感测电路110在内的双向非隔离DC-DC转换器100的电路图。图2-4示出了与操作在降压模式下的图1所示的双向非隔离DC-DC转换器100相关联的波形。图5-