差分电流采样放大电路及使用该电路的三相逆变电路的制作方法

本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种差分电流采样放大电路及使用该电路的三相逆变电路。

背景技术：

很多电力电子电路需要进行电流采样，例如开关电源的buck、反激、半桥、全桥、电机驱动的逆变器等等。很多应用为了提高电路的效率，降低成本，会利用下管mos导通时的阻抗进行电流采样，这样就可以去掉电流采样电阻，例如专利cn208508828u、cn210578322u。

上述方案，使用下管mos导通时的内阻来进行电流检测，可以去掉电流采样电阻，提高电路的效率，降低成本，但是下管导通的时间有限(特别是在大占空比的时候)，因此造成电流采样后级的放大电路使用的运放要使用较高带宽的运放，要保证运放输出信号在下管关断前即要保证稳定下来，同时对adc采样时刻也有严格要求，只能在下管关断之前进行采样。当电源/电机驱动电路的占空比很大时(下管导通时间很短)，对运放和adc的采样时刻带来很高的要求。

为了解决这个问题，专利cn207251511u、cn203350332u提出了一种采样保持的方案。但是这两个专利的采样连接关系，只适合单端信号采样，不适合差分信号采样。

在很多大电流的电路应用中，电流经过pcb铜皮时带来的电压噪声不可忽略，特别是多路桥臂的应用，例如三相逆变电路，有三个桥臂，每个桥臂的地线铜皮宽度不一致，带来的pcb铜皮噪声也不一样，如图1的三相逆变电路，其实际模型如图2所示，由于每个桥臂的地线铜皮宽度不一致，等效出的电阻r1、r2与r3并不相等，即使三路桥臂通过同样的电流，对mos下管(即图中q8、q9、q11)漏极与gnd之间进行电流采样，所获得的信号也是不一样的，故对于此类应用，使用差分电流采样要比单端电流采样更加精准。

另外，有些场合只适合高端采样，只能把采样电阻放在正端或者采集mos上管导通压降，像这些应用也无法使用单端信号采样，必须要有差分信号采样的方式。

再者，另有专利cn200510086943，其继电器开关速度较低，并不适用高频电路测量环境，且其目的是为了电气隔离，ks和kc不会同时导通，故无法用于差分采集高频的mos下管导通电压；另有专利申请cn201910271071，其电子开关和电容放在靠近运放端，即其电路图的320、322右侧，与运放的正负输入端相连，电子开关断开后，运放变成开环状态，在mos下管高速通断下容易饱和，故也无法用于差分采集高频的mos下管导通电压。

技术实现要素：

针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种低成本的可以实现差分电流采样的电路。使用该电路，可以实现直接差分采集高频电力电子电路中mos下管/mos上管/采样电阻的导通电压，并使用低带宽的运放，且不需要考虑过多的adc采样时隙，最终实现降成本的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种差分电流采样放大电路，包括保持电容c1、始终处于闭环状态的差分信号放大电路，以及同步跟随被采样器件通断的电子开关s1、电子开关s2，电子开关s1、电子开关s2两者的一端分别连接被采样器件的两端，电子开关s1、s2两者的另一端经保持电容c1跨接在一起后分接入差分信号放大电路的两个输入端，差分信号放大电路的输出端依次连接外部的adc模块、主控芯片。

进一步地，电子开关s1、电子开关s2均为mosfet。

进一步地，电子开关s1、s2的源极分别连接到保持电容c1的两端，电子开关s1、s2的漏极分别连接到被采样器件的两端。

进一步地，所述差分信号放大电路包含电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和运算放大器x1，保持电容c1两端分别经电阻r1、电阻r2连接至运算放大器x1两个输入端，运算放大器x1正向输入端经电阻r3接至基准电压vref，运算放大器x1输出端经adc模块连接至主控芯片且经电阻r4回连至反向输入端。

进一步地，所述adc模块具体为所述主控芯片的adc端口。

进一步地，所述被采样器件具体指高频电力电子电路中桥臂上的mos下管、mos上管或采样电阻。

进一步地，在被采样器件导通后，控制电子开关s1、电子开关s2同步跟随导通；在被采样器件断开的前一时刻，控制电子开关s1、电子开关s2先行断开。

本发明还提供一种使用上述差分电流采样放大电路的三相逆变电路，其中三相逆变电路中具体包括三个上述的差分电流采样放大电路，三个差分电流采样放大电路采用相同的电压基准且分别采样三相逆变电路中三个桥臂上的被采样器件，所述被采样器件具体是桥臂上的mos下管、mos上管或采样电阻，三个差分电流采样放大电路的输出信号分别经不同adc模块传输至同一主控芯片。

进一步地，对三个差分电流采样放大电路中的各个电子开关，控制其在三个桥臂的被采样器件都导通的时刻同步导通。

进一步地，在任意一个被采样器件断开的前一时刻，控制三个差分电流采样放大电路中的各个电子开关均先行断开。

有益效果：

1、使用采样保持的思路，使得电容上的信号在一段时间内持续保持着之前采样存下来的信号大小，这样可以使用低带宽低成本的运算放大器，无需采用高带宽的运放来保证被采样的mos关断前信号达到稳定；

2、减小主控芯片adc采样时刻的要求，adc不必在采样的mos关断前采样完，而可以在其他时刻进行采样，进一步降低了主控芯片的成本；

3、对被采样器件的适应更广，精度更高，不仅可以采样下管、采样电阻上的信号，连上管的信号也可以采样。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的台件。

图1示出了传统三相逆变电路的理想模型。

图2示出了传统三相逆变电路的实际模型。

图3示出了本发明差分电流采样放大电路采样桥臂mos上管的电路图。

图4示出了本发明差分电流采样放大电路采样桥臂mos下管的电路图。

图5示出了本发明差分电流采样放大电路采样桥臂采样电阻的电路图。

图6示出了mos管电子开关的连接结构。

图7示出了三相逆变电路的电路图。

图8示出了对三相逆变电路进行电流采样的电路图。

图9示出了对差分电流采样放大电路中各个电子开关的控制时序。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实施例的差分电流采样放大电路如图3所示，包括依次连接的差分信号保持电路1、差分信号放大电路2、主控芯片3。

所述差分信号保持电路1用于在某一时刻把被采样器件(可以是mos也可以是电流采样电阻)的差分电压转移到保持电容c1上，其电路由电子开关s1、s2和保持电容c1组成，以图3差分采集mos上管为例，具体接法为电子开关s1、s2两者的一端分别连接被采样器件的两端(即mos上管的q极、s极)，电子开关s1、s2两者的另一端经保持电容c1跨接在一起。

所述差分信号放大电路2由电阻r1-r4和运算放大器x1组成，保持电容c1两端分别经电阻r1、r2连接至运算放大器x1两个输入端，运算放大器x1正向输入端经电阻r3接至基准电压vref，运算放大器x1输出端经电阻r4回连至反向输入端，电路中，由于差分信号保持电路1位于电阻r1、r2前级(图示左侧)，无论电子开关s1、s2通断与否，电阻r1-r4和运算放大器x1始终组成一闭环的减法运算电路，确保运算放大器x1任何时候都工作在闭环反馈状态，避免在mos上管高速通断下造成运放饱和。

所述主控芯片3采用mcu作为最终信号接收端，通过其adc端口接收差分信号放大电路2放大后的信号。

上述仅示出了差分电流采样放大电路采样桥臂mos上管的实施例子，应当理解的是，本实施例的差分电流采样放大电路还可用于采样桥臂的mos下管、采样电阻，如图4-5所示。

进一步地，为确保电子开关s1、s2适于高频通断，电子开关s1、s2均采用为mosfet实现，以满足几十纳秒级别的开关速度。在采用mosfet作为开关的情况下，如图6所示，电子开关s1、s2的源极分别连接到电容的两端，电子开关s1、s2的漏极分别连接到被采样器件的两端，以此确保两个mosfet的寄生二极管反向串联。

见图7-8，以对三相逆变电路进行电流采样为例，使用时，取三个结构相同的差分电流采样放大电路，分别采样三相逆变电路中三个桥臂的mos下管，三个差分电流采样放大电路的输出信号分别传输至主控芯片3的三个adc端口，确保三个差分电流采样放大电路中的基准电压vref相同后，对三个差分电流采样放大电路中的各个电子开关，控制其在三个桥臂的mos下管都导通的时刻同步导通，保证在同一时刻采样电流信号，确保计算出的三相电流准确度最高。

具体而言，如图9所示，三个桥臂的mos下管都导通时，全部电子开关同步导通，此时mos下管导通时的电压降转移至保持电容c1，差分信号放大电路差分放大电容c1两端电压后输送给主控芯片3，而在任意一个mos下管断开前一时刻，全部电子开关先行断开，避免上管导通时经保持电容造成桥臂通路，影响逆变，电子开关断开的状态下，因电阻r1、r2的存在，电容c1电荷缓慢泄放，但由于mos下管导通频率较高，电容c1稍作泄放后mos下管又重复导通补充c1电荷，故可维持c1电荷稳定，确保低带宽的运放也可胜任高频信号的差分放大工作，且能持续输出差分放大信号，使主控芯片不需要考虑过多的adc采样时隙。

与现有方案相比，本发明提供差分电流采样放大电路，带来以下优点：

1、使用采样保持的思路，使得电容上的信号在一段时间内持续保持着之前采样存下来的信号大小，这样可以使用低带宽低成本的运算放大器，无需采用高带宽的运放来保证被采样的mos关断前信号达到稳定；

2、减小主控芯片adc采样时刻的要求，adc不必在采样的mos关断前采样完，而可以在其他时刻进行采样，进一步降低了主控芯片的成本；

3、对被采样器件的适应更广，精度更高，不仅可以采样下管、采样电阻上的信号，连上管的信号也可以采样。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。例如，在电子开关前后串联电阻、保持电容与差分放大电路之间再串联电阻、差分放大电路与adc之间增加rc滤波电路等等类似更改，仍然不脱离本发明技术方案的实质和范围。