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用于多相功率转换器的电流感测和控制的系统和方法与流程

用于多相功率转换器的电流感测和控制的系统和方法
1.对相关申请的交叉引用本技术要求于2021年5月14日提交的美国临时申请no.63/201827的权益，该申请的内容特此以其整体而被合并。
技术领域
2.本发明一般涉及多相功率转换器，并且更特别地，涉及多相功率转换器的电流感测和控制。

背景技术：

3.在多相功率转换器中，尽管总电流具有相对小的纹波分量，但在每个相中存在大的电流纹波。为了控制总的端子电流以及确保相之间的电流平衡，需要高性能的数字采样、控制、和保护策略。通常，相电流中的高纹波电流难以由数字信号处理器精确地采样。

技术实现要素：

4.本公开的方面涉及用于多相功率转换器的电流感测和控制的方法、设备、和/或系统。
5.在一些实施例中，提供一种多相转换器。所述多相转换器包括多个相支路。每个支路具有功率半导体的组合。所述多相转换器进一步包括端子电流传感器，所述端子电流传感器被配置成生成指示流过所述多相转换器的端子电流的输出信号。所述多相转换器进一步包括多个电流传感器，所述多个电流传感器被配置成生成指示每个相支路的低边开关相电流的输出信号。所述多相转换器进一步包括低通滤波器，所述低通滤波器用于滤除每个相支路的低边开关电流信号的高频分量。
6.在一些实施例中，所述端子电流传感器和/或所述多个电流传感器是基于电阻器的传感器。
7.在一些实施例中，所述多个电流传感器被耦合到每个相支路的输出节点。
8.在一些实施例中，所述多相转换器包括过电流保护装置。所述过电流保护装置被配置成基于所述低边开关电流信号来限制所述低边开关相电流。
9.在一些实施例中，所述多相转换器包括系统控制器，所述系统控制器被配置成基于来自所述端子电流传感器的所述输出信号来调节流入或流出所述系统的电流总量。
10.在一些实施例中，所述多相转换器包括模数转换装置，所述模数转换装置被配置成提供对经滤波的低边开关信号的模数转换。
11.在一些实施例中，所述多相转换器包括电流平衡控制器，所述电流平衡控制器被配置成基于数字化的经滤波的低边开关信号来控制所述相电流的平衡。
12.在一些实施例中，提供一种用于多相转换器中的电流感测的方法。所述方法包括利用端子电流传感器，生成指示流过具有多个相支路的多相转换器的端子电流的输出信号。所述方法进一步包括利用多个电流传感器，生成指示每个相支路的低边开关相电流的
输出信号。所述方法进一步包括利用低通滤波器，滤除每个相支路的低边开关电流信号的高频分量。
13.在一些实施例中，所述方法进一步包括利用基于电阻器的传感器，生成指示每个相支路的所述低边开关相电流和/或所述端子电流的所述输出信号。
14.在一些实施例中，所述方法进一步包括将所述多个电流传感器耦合到每个相支路的输出节点。
15.在一些实施例中，所述方法进一步包括基于来自所述端子电流传感器的所述输出信号来调节流入或流出所述系统的电流总量。
16.在一些实施例中，所述方法进一步包括基于所述低边开关电流信号来限制所述低边开关相电流。
17.在一些实施例中，提供一种电流感测系统。所述系统包括端子电流传感器，所述端子电流传感器被配置成生成指示流过具有多个相支路的多相转换器的端子电流的输出信号。所述系统进一步包括多个电流传感器，所述多个电流传感器被配置成生成指示每个相支路的低边开关相电流的输出信号，其中所述多个电流传感器被耦合到每个相支路的输出节点。
18.在一些实施例中，所述电流感测系统是基于电阻器的传感器。
19.通过随附于此的本发明的详细描述和附图，本发明的各种其它方面、特征、和优点将是明白的。还要理解的是，前述的一般描述和以下的详细描述两者都是示例，并不是对本发明的范围的限制。
附图说明
20.图1示出根据一个或多个实施例的多相功率转换器的示例。
21.图2示出常规多相功率转换器的示例。
22.图3示出根据一个或多个实施例的系统100的操作的示例。
23.图4示出根据一个或多个实施例的多相功率转换器中的电流感测和控制的方法的图表。
具体实施方式
24.在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多特定细节以便提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将领会，本发明的实施例可以在没有这些特定细节的情况下或以等效布置来实践。在其它情况下，以框图形式示出公知的结构和装置，以免不必要地使本发明的实施例晦涩难懂。
25.通常，交错的多相转换器可具有每个电感器电流中的大的电流纹波以及总电流中的小的电流纹波。然而，如果仅对总电流进行采样，则可以实现对流入系统中的电流总量的控制，但是该电流在多相电感器电流之间可能是不平衡的。如果对每个电感器的电流进行采样，则总成本可能是高的，并且可能难以对高纹波电流进行采样以用于模数转换。图2示出常规多相功率转换器200的示例。ist是流过多相功率转换器的总电流，并且i1、i2和i3是指每个电感器电流。波形204示出电流i1、i2和i3中每个电流中的大的电流纹波。波形206示出总电流ist中的小的电流纹波。
26.根据一些实施例，本公开描述了一种多相转换器，其使用包括位于每个相支路的输出节点处的端子电流传感器和低边桥电流传感器的感测方案以用于更精确的相电流测量。在一些实施例中，多相转换器包括快速过流保护装置和低带宽滤波器，所述低带宽滤波器用于帮助移除低边桥电流纹波，使得仅低纹波信号通过模数转换来处理，这可能影响系统控制器的稳定性和动态响应。因此，本多相转换器使用高性能的数字采样、控制、和保护策略，以便控制总的端子电流以及确保相之间的电流平衡。
27.图1示出根据一个或多个实施例的多相转换器100的示例。在一些实施例中，多相转换器100包括多个转换相，并且每个相可以包括电感器和具有功率半导体的相支路。例如，如图1中所示，第一相包括电感器l1和开关（124、125），第二相包括电感器l2和开关（126、127），并且第三相包括电感器l3和开关（128、129）。在一些实施例中，功率半导体中的一个或多个可以包括绝缘栅双极型晶体管（igbt）、金属氧化物半导体场效应晶体管（mofset）等。
28.在一些实施例中，多相转换器100可以包括端子电流传感器rs（130）。端子电流传感器rs（130）可以被配置成生成指示流过多相转换器的端子电流is（160）的输出信号。在一些实施例中，电流传感器rs（130）可以是电阻器。在一些实施例中，多相转换器100可以包括多个电流传感器rs1、rs2、和rs3（134、136、和138），其被配置成生成分别指示每个相支路的低边开关相电流is1、is2、和is3的输出信号。例如，传感器rs1感测流过功率半导体（124、126）的低边的电流is1等。在一些实施例中，多个电流传感器rs1、rs2、和rs3（134、136、和138）中的一个或多个可以被耦合到相应相支路的输出节点。在一些实施例中，电流传感器rs1、rs2、和rs3（134、136、138）是基于电阻器的传感器。
29.在一些实施例中，多相转换器100包括过电流保护装置144。在一些实施例中，过电流保护装置144可以被配置用于检测过电流状况。在一些实施例中，过电流保护装置144可响应于检测到过电流状况而限制低边开关相电流。在一些实施例中，过电流保护装置144基于所生成的低边开关电流信号来限制电流。在一些实施例中，过电流保护装置144可被配置成监测低边开关电流is1、is2、和is3并生成对应的、成比例的电压信号。响应于电压信号达到预定阈值，过电流保护装置144可生成电流限制控制信号以限制电流。
30.在一些实施例中，多相转换器100可以包括低通滤波器142，其用于滤除每个相支路的低边开关电流信号的高频分量。例如，低通滤波器142可以被配置成接收电流信号is1、is2、和is3，并滤除所接收信号中的一个或多个的高频分量。这可以帮助移除低边桥电流纹波并且允许更容易的模数转换。低通滤波器可以是一阶、二阶、或其它类型。
31.图3示出根据一个或多个实施例的多相转换器100的操作的示例。图表1示出来自端子电流传感器rs 130的输出信号320。端子电流is示出低纹波。图表1还示出来自相电流传感器rs1、rs2、和rs3的输出信号340。如从图表中可以看出的，相电流is1、is2、和is3的相电流纹波高于端子电流纹波。图表2示出在通过低通滤波器142之后的相电流信号340的经滤波信号360。如从图表2可以看出的，当与在进行低通滤波之前的所获得信号340相比时，相电流具有小得多的电流纹波360。
32.在一些实施例中，多相转换器100可以包括模数转换器adc 146，其被配置成提供对经滤波的低边开关信号的模数转换。数字转换器adc 146可以被配置成从低通滤波器142接收低纹波信号（经滤波的低边开关信号）。经滤波的所接收信号由数字转换器146采样和
数字化。该adc可以是数字信号处理器的外部集成电路或adc模块。
33.在一些实施例中，多相转换器100可以包括电流平衡控制器148。电流平衡控制器可以被配置成基于数字化的经滤波低边开关信号来控制相电流is1、is2、和is3的平衡。电流平衡控制器可以被配置成检测相电流之间的差异，并生成修改从系统控制器针对每个相所生成的控制信号的信号。这可以确保相电流的收敛处于平衡状况下。
34.在一些实施例中，多相转换器100可以包括模数转换器adc 152。数字转换器adc 152被配置成接收输入电压v1、输出电压v2、和端子电流is以用于模数转换。
35.在一些实施例中，多相转换器100可以包括系统控制器154。系统控制器可以被配置成调节流入或流出系统的电流总量。系统控制器的控制操作可以基于从数字转换器152接收的、来自端子电流传感器rs（130）的输出信号。例如，控制器可以将所测量的端子电压或电流与参考电压或电流进行比较，并将差异馈送到比例-积分调节器。该调节器将生成消除参考和反馈之间的差异的占空比。
36.在一些实施例中，多相转换器100可以包括用于控制输出电压的占空比调整装置156。占空比调整可以基于来自系统控制器154和电流平衡控制器148的控制。例如，取决于操作条件，电流平衡控制器的输出将被加到系统控制器的输出或从系统控制器的输出中减去。
37.图4示出根据本公开的一个或多个实施例的用于感测和控制多相转换器中的电流的方法400。
38.在方法400的操作402处，生成指示流过具有多个相支路的多相转换器的端子电流的输出信号。在一些实施例中，利用基于电阻器的传感器来生成指示端子电流的输出信号。在一些实施例中，操作402可以由与（在图1中示出并且在本文中描述的）传感器rs（130）相同或相似的传感器来执行。
39.在方法400的操作404处，生成指示每个相支路的低边开关相电流的输出信号。在一些实施例中，可以利用基于电阻器的电流传感器来生成指示低边相电流的输出信号。在一些实施例中，操作404可以由与（在图1中示出并且在本文中描述的）电流传感器rs1、rs2、和rs3（134、136、138）相同或相似的多个电流传感器来执行。
40.在方法400的操作406处，对每个相支路的低边开关电流信号的高频分量进行滤波。在一些实施例中，操作406可以由与（在图1中示出并且在本文中描述的）低通滤波器142相同或相似的低通滤波器来执行。
41.应当理解，说明书和附图不旨在将本发明限于所公开的特定形式，而是相反，本发明将覆盖落入如由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物、和备选方案。鉴于本说明书，本发明的各个方面的进一步修改和备选实施例对于本领域技术人员将是明白的。因此，本说明书和附图将被解释为仅是说明性的，并且用于教导本领域技术人员实行本发明的一般方式的目的。将理解，本文示出并描述的本发明的形式将被视为实施例的示例。可以用元件和材料代替本文示出并描述的那些元件和材料，可以颠倒或省略部分和过程，并且可以独立地利用本发明的某些特征，所有这些对于在受益于本发明的本说明书后的本领域技术人员将是明白的。在不脱离如所附权利要求中所描述的本发明的精神和范围的情况下，可以对本文所描述的元素进行改变。本文所使用的标题仅出于组织目的，并不意味着被用于限制本说明书的范围。
42.如贯穿本技术所使用的，词语“可以”以许可意义（即，意味着有可能）而不是强制意义（即，意味着必须）来使用。词语“包括（include、including、和includes）”等意味着包括但不限于。如贯穿本技术所使用的，单数形式“一（a、an）”和“该”包括复数的所指对象，除非内容另有明确指示。因此，例如，对“一个元件（an element或a element）”的引用包括两个或更多个元件的组合，尽管对于一个或多个元件使用其它术语和短语，诸如“一个或多个”。术语“或”是非排它性的，即涵盖“和”和“或”两者，除非另有指示。描述条件关系的术语（例如“响应于x，进行y”、“当x时，就进行y”、“如果x，则进行y”、“在x时，进行y”等）涵盖因果关系，其中前项是必要性因果条件、前项是充分性因果条件、或者前项是结果的贡献性因果条件，例如“当条件y获得时，就出现状态x”对于“仅当y时，就出现x”和“当y和z时，就出现x”是通用的。此类条件关系不限于立即在前项获得之后的结果，因为一些结果可能延迟，并且在条件陈述中，前项被连接到其结果，例如，先例与结果发生的可能性相关。此外，除非另有指示，否则一个值或动作“基于”另一条件或值的陈述涵盖以下两种情形：条件或值是唯一因素的情形，和条件或值是多个因素中的一个因素的情形。除非另有指示，否则某一集合中的“每个”实例具有某一特性的陈述不应被读为排除较大集合中的某些其它相同或相似的成员不具有该特性的情况，即，每个不一定意味着所有。

技术特征：

1.一种多相转换器，包括：多个相支路，其中每个支路具有功率半导体的组合；端子电流传感器，所述端子电流传感器被配置成生成指示流过所述多相转换器的端子电流的输出信号；多个电流传感器，所述多个电流传感器被配置成生成指示每个相支路的低边开关相电流的输出信号；以及低通滤波器，所述低通滤波器用于滤除每个相支路的低边开关电流信号的高频分量。2.如权利要求1所述的多相转换器，其中，所述端子电流传感器和/或所述多个电流传感器是基于电阻器的传感器。3.如权利要求1所述的多相转换器，其中，所述多个电流传感器被耦合到每个相支路的输出节点。4.如权利要求1所述的多相转换器，进一步包括：过电流保护装置，其中所述过电流保护装置被配置成基于所述低边开关电流信号来限制所述低边开关相电流。5.如权利要求1所述的多相转换器，进一步包括：系统控制器，所述系统控制器被配置成基于来自所述端子电流传感器的所述输出信号来调节流入或流出所述系统的电流总量。6.如权利要求1所述的多相转换器，进一步包括：模数转换装置，其中所述模数转换装置被配置成提供对经滤波的低边开关信号的模数转换。7.如权利要求6所述的多相转换器，进一步包括：电流平衡控制器，其中所述电流平衡控制器被配置成基于数字化的经滤波的低边开关信号来控制所述相电流的平衡。8.一种方法，包括：利用端子电流传感器，生成指示流过具有多个相支路的多相转换器的端子电流的输出信号；利用多个电流传感器，生成指示每个相支路的低边开关相电流的输出信号；以及利用低通滤波器，滤除每个相支路的低边开关电流信号的高频分量。9.如权利要求8所述的方法，其中，利用基于电阻器的传感器，生成指示每个相支路的所述低边开关相电流和/或所述端子电流的所述输出信号。10.如权利要求8所述的方法，进一步包括：将所述多个电流传感器耦合到每个相支路的输出节点。11.如权利要求8所述的方法，进一步包括：利用快速过电流保护装置，接收所述低边开关电流信号；以及基于所接收的低边开关电流信号来限制所述低边开关相电流。12.如权利要求8所述的方法，进一步包括：基于来自所述端子电流传感器的所述输出信号来调节流入或流出所述系统的电流总量。13.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
使用模数转换装置，对经滤波的低边开关信号进行数字化。14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：基于数字化的经滤波的低边开关电流信号来控制所述相电流的平衡。15.一种电流感测系统，包括：端子电流传感器，所述端子电流传感器被配置成生成指示流过具有多个相支路的多相转换器的端子电流的输出信号；以及多个电流传感器，所述多个电流传感器被配置成生成指示每个相支路的低边开关相电流的输出信号，其中所述多个电流传感器被耦合到每个相支路的输出节点。16.如权利要求15所述的电流感测系统，进一步包括：低通滤波器，所述低通滤波器用于滤除每个相支路的低边开关电流的高频分量。17.如权利要求15所述的电流感测系统，其中，所述电流感测包括基于电阻器的传感器。18.如权利要求15所述的电流感测系统，进一步包括：过电流保护装置，其中所述过电流保护装置被配置成基于所述低边开关电流信号来限制所述低边开关相电流。19.如权利要求15所述的电流感测系统，进一步包括：模数转换装置，其中所述模数转换装置被配置成提供对经滤波的低边开关信号的模数转换。20.如权利要求18所述的电流感测系统，进一步包括：电流平衡控制器，其中所述电流平衡控制器被配置成基于数字化的经滤波的低边开关电流信号来控制所述相电流的平衡。

技术总结

公开了一种多相转换器。所述多相转换器包括多个相支路。每个支路具有功率半导体的组合。所述多相转换器进一步包括端子电流传感器，所述端子电流传感器被配置成生成指示流过所述多相转换器的端子电流的输出信号。所述多相转换器进一步包括多个电流传感器，所述多个电流传感器被配置成生成指示每个相支路的低边开关相电流的输出信号。所述多相转换器进一步包括低通滤波器，所述低通滤波器用于滤除每个相支路的低边开关电流信号的高频分量。个相支路的低边开关电流信号的高频分量。个相支路的低边开关电流信号的高频分量。