電流互感器在開關(guān)電源中的應(yīng)用

摘要：電流互感器可以用來檢測(cè)高頻開關(guān)電源中的單極性電流脈沖。分析了電流互感器構(gòu)成的電流檢測(cè)電路工作過程。比較了磁芯自復(fù)位、強(qiáng)迫復(fù)位的特點(diǎn)。給出了試驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電流互感器；磁芯復(fù)位；開關(guān)電源

1??? 引言

??? 在高頻開關(guān)電源中，需要檢測(cè)出開關(guān)管、電感等元器件的電流提供給控制、保護(hù)電路使用。電流檢測(cè)方法有電流互感器、霍爾元件和直接電阻取樣。采用霍爾元件取樣，控制和主功率電路有隔離，可以檢出直流信號(hào)，信號(hào)還原性好，但有μs級(jí)的延遲，并且價(jià)格比較貴；采用電阻取樣價(jià)格非常便宜，信號(hào)還原性好，但是控制電路和主功率電路不隔離，功耗比較大。

??? 電流互感器具有能耗小、頻帶寬、信號(hào)還原性好、價(jià)格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優(yōu)點(diǎn)。在Push-Pull、Bridge等雙端變換器中，功率變壓器原邊流過正負(fù)對(duì)稱的雙極性電流脈沖，沒有直流分量，電流互感器可以得到很好的應(yīng)用。但在Buck、Boost等單端應(yīng)用場(chǎng)合，開關(guān)器件中流過單極性電流脈沖；原邊包含的直流分量不能在副邊檢出信號(hào)中反映出來，還有可能造成電流互感器磁芯單向飽和；為此需要對(duì)電流互感器構(gòu)成的檢測(cè)電路進(jìn)行一些改進(jìn)。

2??? 電流互感器檢測(cè)單極性電流脈沖的應(yīng)用電路分析

??? 根據(jù)電流互感器磁芯復(fù)位方法的不同，可有兩種電路形式：自復(fù)位與強(qiáng)迫復(fù)位。自復(fù)位在電流互感器原邊電流脈沖消失后，利用激磁電流通過電流互感器副邊的開路阻抗產(chǎn)生的負(fù)向電壓實(shí)現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位電壓大小與激磁電流和電流互感器開路阻抗有關(guān)。強(qiáng)迫復(fù)位電路在原邊直流脈沖消失期間，外加一個(gè)大的復(fù)位電壓，實(shí)現(xiàn)磁芯短時(shí)間內(nèi)快速復(fù)位。

2.1??? 電流互感器檢測(cè)電路

??? 常用的電流互感器檢測(cè)電路如圖1(a)所示。

??? 圖1(b)表示原邊有電流脈沖時(shí)的等效電路，電流互感器簡(jiǎn)化為理想變壓器與勵(lì)磁電感Lm模型，Rs為取樣電阻。

??? 當(dāng)占空比D<0.5時(shí)，在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯依靠勵(lì)磁電流流過采樣電阻Rs產(chǎn)生負(fù)的伏秒值，實(shí)現(xiàn)自復(fù)位〔如圖1（d1）～（i1）所示〕，由于采樣電阻Rs很小，所以負(fù)向復(fù)位電壓較?。划?dāng)電流脈沖占空比很大時(shí)(D>0.5)，復(fù)位時(shí)間很短，沒有足夠的復(fù)位伏秒值，使得磁芯中直流分量Id增大，有可能造成磁芯逐漸正向偏磁飽和〔如圖1（d2）～（i2）所示〕，失去檢測(cè)的作用，所以自復(fù)位只能應(yīng)用于電流脈沖占空比D<0.5的場(chǎng)合。

(a)檢測(cè)電路

(b)原邊有脈沖時(shí)等效電路

(c)磁芯復(fù)位時(shí)等效電路

圖1??? 常用的電流互感器檢測(cè)電路分析

??? 可以看出，此電路對(duì)于檢測(cè)單極性直流脈沖存在諸多缺點(diǎn)。勵(lì)磁電感電流im中存在直流分量Id，容易導(dǎo)致磁芯飽和。輸出電壓信號(hào)uR為雙極性，不便于后級(jí)電路處理。

2.2??? 改進(jìn)的自復(fù)位電流互感器

??? 為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓uR的單極性輸出，在電流互感器端加上一個(gè)二極管，根據(jù)原邊輸入電流i1與輸出電壓uR的相位的不同、信號(hào)地位置的不同，可有4種電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2??? 改進(jìn)的電流互感器檢測(cè)電路

??? 對(duì)圖2(c)的電路工作過程進(jìn)行分析，電路在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的工作波形如圖3所示。

(a)檢測(cè)電路

(b)原邊有脈沖時(shí)等效電路

(c)磁芯復(fù)位時(shí)等效電路

圖3??? 改進(jìn)的電流互感器檢測(cè)電路分析

??? 圖3(c)表示電流互感器磁芯復(fù)位時(shí)的等效電路，CT為電流互感器副邊分布電容，CD為二極管結(jié)電容。圖3(d)～(i)繪出了占空比小時(shí)，磁芯充分復(fù)位的各參數(shù)波形。

??? 在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯的復(fù)位依靠勵(lì)磁電流在Lm、CT、CD中諧振產(chǎn)生負(fù)的復(fù)位電壓值，實(shí)現(xiàn)自復(fù)位，如圖3(g)所示。Lm、CT構(gòu)成的諧振電路特征阻抗遠(yuǎn)大于Rs，所以復(fù)位效果好于圖1電路。但是，諧振產(chǎn)生的復(fù)位電壓并不是很大，當(dāng)脈沖占空比很大時(shí)，復(fù)位時(shí)間很短，仍有可能造成磁芯逐漸正向偏磁飽和，所以也只能應(yīng)用于電流脈沖占空比D<0.5的場(chǎng)合。

??? 由于互感器副邊線圈匝數(shù)很多，分布電容大，諧振電流主要從電流互感器流過；流經(jīng)Rs、CD支路的電流很小，并且Rs很小，所以復(fù)位電流經(jīng)CD支路的諧振電流在Rs上產(chǎn)生的負(fù)向電壓可以忽略，取樣輸出電壓uR波形如圖3(h)所示。因?yàn)槎O管的作用，輸出電壓信號(hào)uR為單極性，其幅值與原邊電流信號(hào)脈動(dòng)量成正比，便于后級(jí)電路處理。

2.3??? 強(qiáng)迫復(fù)位

??? 在單端應(yīng)用中，特別是Boost電路中，需要精確地再現(xiàn)高占空比的單極性脈沖。自復(fù)位不能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)高占空比電流脈沖，必須對(duì)磁芯進(jìn)行強(qiáng)迫復(fù)位。強(qiáng)迫復(fù)位的電路很多，這里分析一種最簡(jiǎn)單易行的強(qiáng)迫復(fù)位電路。如圖4所示，分別對(duì)應(yīng)于圖2中的4種電路。

??? 對(duì)圖4(c)的電路工作過程進(jìn)行分析。圖5(b)表示原邊有電流脈沖時(shí)的等效電路，由于二極管的隔離作用，復(fù)位電壓＋Vr對(duì)電流的檢測(cè)沒有影響。圖5(c)表示磁芯復(fù)位時(shí)的等效電路。電路在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的工作波形如圖5(d)～(i)所示，0～t1時(shí)間內(nèi)原邊有直流脈沖，t1～t2時(shí)間為磁芯復(fù)位過程，t2～T為復(fù)位完畢后波形。

圖4強(qiáng)迫復(fù)位的電流互感器檢測(cè)電路

(a)檢測(cè)電路

(b)原邊有脈沖時(shí)等效電路

(c)磁芯復(fù)位時(shí)等效電路

(j)復(fù) 位 電 壓 對(duì) 采 樣 影 響

圖5??? 強(qiáng)迫復(fù)位的電流互感器檢測(cè)電路分析

??? 在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯開始復(fù)位，二極管反向阻斷，復(fù)位電壓Vr加在勵(lì)磁電感上，強(qiáng)迫磁芯快速復(fù)位。圖5(g)繪出了激磁電感上的電壓，由于復(fù)位電壓遠(yuǎn)大于磁芯的正向電壓，所以磁芯能夠在很短的時(shí)間內(nèi)充分復(fù)位，可以應(yīng)用于檢測(cè)電流脈沖占空比D>0.9的場(chǎng)合。

??? 圖5(j)表示復(fù)位電壓Vr給檢測(cè)信號(hào)帶來的誤差。磁芯復(fù)位完畢后，電流互感器副邊相當(dāng)于一根導(dǎo)線，Vr在取樣電阻上有一個(gè)分壓，從而引起誤差，大小為

??? VR(error)=·Vr（1）

??? 由于Rr遠(yuǎn)大于Rs，所以VR(error)很小，可以忽略其影響。在t2～T時(shí)間內(nèi)，磁芯中還會(huì)有一個(gè)很小的直流分量為

??? im=－（2）

由于Rr很大，其影響也可以忽略。

2.4??? 多個(gè)電流互感器的組合使用

??? 多個(gè)電流互感器可以組合起來，用于檢測(cè)含有低頻分量的單極性高頻直流脈動(dòng)。例如，常用的由Boost電路構(gòu)成的單相PFC電路，工作于CCM狀態(tài)，需要檢出電感電流提供控制電路使用。電感電流中既含用工頻正弦電流，又有高頻脈動(dòng)電流，為此，可以用電流互感器分別檢出開關(guān)管、二極管中的單極性電流脈沖，再疊加起來，即為電感電流。檢測(cè)電路如圖6所示，占空比有可能超過0.5，所以磁芯需要強(qiáng)迫復(fù)位。

圖6??? 電流互感器組合使用合成電感電流

3??? 電流互感器的設(shè)計(jì)方法

??? 根據(jù)原邊電流i1大小、副邊輸出電壓Um的要求確定電流互感器變比n；磁芯可選用初始磁導(dǎo)率大的鐵氧體材料，大小根據(jù)磁路有效面積確定?？砂词剑?）選擇

??? Ae=??? （3）

式中：Ae為磁路有效截面積；

????? Um為電流互感器副邊輸出最大電壓；

????? N為副邊線圈匝數(shù)；

????? B為磁芯最大工作磁通，一般取為飽和磁通的1/2～1/3；

????? fs為原邊脈沖電流頻率。

??? Rs根據(jù)副邊最大電壓Um、電流IR求出，Rr取值要遠(yuǎn)大于Rs，可以是Rs的50～100倍，具體大小可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整。

4??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 1）在Boost電路中采用自復(fù)位電流互感器檢測(cè) 開 關(guān) 管 電 流 ， 提 供 給 控 制 電 路 電 流 反 饋 環(huán) 。 磁 芯 選 用 錳 鋅 鐵 氧 體 ， 磁 路 有 效 截 面 積0.25mm2， 變 比 100， 采 樣 電 阻 3.9 Ω 。 開 關(guān) 頻 率 20 kHz， 電 流 互 感 器 原 邊 電 流 峰 值 3.6 A， 最 大 占 空 比 0.45。 實(shí) 驗(yàn) 波 形 如 圖 7所 示 。

(a)??? 副 邊 電 壓um波 形

(b)??? 采 樣 電 阻 電 壓uR波 形

圖7??? 實(shí) 驗(yàn) 波 形

??? 2）在雙極性SPWM逆變電路中，直流母線流過正負(fù)不對(duì)稱的雙極性電流脈沖，采用強(qiáng)迫復(fù)位電流互感器檢測(cè)出來，提供給的過流、直通保護(hù)電路。磁芯選用錳鋅鐵氧體，磁芯截面積0.35mm2，變比100，采樣電阻16Ω。開關(guān)頻率20kHz，逆變輸出正弦波頻率50Hz，電流互感器原邊電流峰值為3A，最大占空比0.95。一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)及一個(gè)工頻周期內(nèi)的實(shí)驗(yàn)波形分別如圖8及圖9所示。

(a)??? 副 邊 電 壓um波 形

(b)??? 采 樣 電 阻 電 壓uR波 形

圖8??? 一 個(gè) 開 關(guān) 周 期 內(nèi) 波 形

(a)??? 副 邊 電 壓um波 形

(b)??? 采 樣 電 阻 電 壓uR波 形

圖 9??? 一 個(gè) 工 頻 周 期 內(nèi) 波 形

5??? 結(jié)語

??? 本文分析了自復(fù)位、強(qiáng)迫復(fù)位電流互感器檢測(cè)單極性直流脈沖時(shí)的工作過程，繪出了電路在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的波形，比較了各種電路磁芯復(fù)位的的特點(diǎn)，簡(jiǎn)單的介紹了電流互感器的設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分析的正確性。