常用地電流互感器檢測(cè)電路分析

1、WORD格式常用的電流互感器檢測(cè)電路分析在高頻開關(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)復(fù)原性好， 但有 s 級(jí)的延遲，并且價(jià)格比較貴；采用電阻取樣價(jià)格非常廉價(jià)，信號(hào)復(fù)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)復(fù)原性好、價(jià)格廉價(jià)、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(guò)正負(fù)對(duì)稱的雙極性電流脈沖，沒(méi)有直流分量，電流互感器可以得到很好的應(yīng)用。但在

2、Buck、Boost 等單端應(yīng)用場(chǎng)合， 開關(guān)器件中流過(guò)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(lái)， 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)展一些改進(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(guò)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?gòu)?fù)位。2.1電流互感器檢測(cè)電路常用的電流互

3、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 m模型， s 為取樣電阻。當(dāng)占空比 <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(guò)采樣電阻 s 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s 很小，所以負(fù)向復(fù)位電壓較??；當(dāng)電流脈沖占空比很大時(shí)(>0.5)，復(fù)位時(shí)間很短，沒(méi)有足夠的復(fù)位伏秒值， 使得磁芯中直流分量d 增大，有可能造成磁芯逐漸正向偏磁飽和如圖 1d2i2 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<0.5 的場(chǎng)合。專業(yè)資料整理WORD格式(a

4、) 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m中存在直流分量d，容易導(dǎo)致磁芯飽和。輸出電壓信號(hào)R為雙極性，不便于后級(jí)電路處理。2.2改進(jìn)的自復(fù)位電流互感器專業(yè)資料整理WORD格式為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓R 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1 與輸出電壓R 的相位的不同、信號(hào)地位置的不同，可有4 種電路構(gòu)造，如圖2專業(yè)資料整理WORD格式所示。專業(yè)資料整理WORD格式圖 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(guò)程進(jìn)展分析，電路在一個(gè)脈沖周期

5、內(nèi)的工作波形如圖3所示。(a) 檢測(cè)電路專業(yè)資料整理WORD格式(b) 原邊有脈沖時(shí)等效電路專業(yè)資料整理WORD格式(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，T 為電流互感器副邊分布電容，D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m、 T、D 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。 m、T 構(gòu)成的諧振電路特征阻抗遠(yuǎn)大于s，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)

6、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 <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(guò)；流經(jīng) s、 D支路的電流很小，并且s 很小，所以復(fù)位電流經(jīng)D 支路的諧振電流在s 上產(chǎn)生的負(fù)向電壓可以忽略，取樣輸出電壓R 波形如圖3(h) 所示。因?yàn)槎O管的作用，輸出電壓信號(hào) R 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，需要準(zhǔn)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)展強(qiáng)迫復(fù)位。強(qiáng)迫復(fù)位的電路很多，這里分析一種最

7、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(guò)程進(jìn)展分析。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(méi)有影響。圖5(c) 表示磁芯復(fù)位時(shí)的專業(yè)資料整理WORD格式等效電路。 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 1 時(shí)間內(nèi)原邊有直流脈沖， 12 時(shí)間為磁芯復(fù)位過(guò)程，2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)電路專業(yè)資料整理WORD格式(a) 檢測(cè)電路專業(yè)資料整理WORD格式(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

8、 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，磁芯開場(chǎng)復(fù)位， 二極管反向阻斷，復(fù)位電壓r加在勵(lì)磁電感上，強(qiáng)迫磁芯快速?gòu)?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 >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(lái)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， Vrr 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

9、芯中還會(huì)有一個(gè)很小的直流分量為專業(yè)資料整理WORD格式im=2專業(yè)資料整理WORD格式由于 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(lái)，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(lái)，即為電感電流。檢測(cè)電路如圖 6 所示，占空比有可能超過(guò)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)

10、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?選擇專業(yè)資料整理WORD格式Ae= 3專業(yè)資料整理WORD格式式中： 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 10 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

11、 控制電路電流反響環(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 。開 關(guān) 頻 率 20 kHz ， 電 流 互 感 器原邊電流峰值3.6A，最大占空比0.45。實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。專業(yè)資料整理WORD格式(a) 副 邊 電 壓 m波 形(b) 采樣電阻電壓R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(guò)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(lái)，提供給的過(guò)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 16 。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。專業(yè)資料整理WORD格式(a) 副 邊 電 壓 m波 形(b) 采樣電阻電壓R波形圖 8一個(gè)開關(guān)周