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问
陶洪山，吴燮华
(浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310027）
     摘  要 ： 电 流 互 感 器 可 以 用 来 检 测 高 频 开 关 电 源 中 的 单 极 性 电 流 脉 冲 。 分 析 了 电 流 互 感 器 构 成 的 电 流 检 测 电 路 工 作 过 程 。 比 较 了 磁 芯 自 复 位 、 强 迫 复 位 的 特 点 。 给 出 了 试 验 结 果 。
    关键词： 电 流 互 感 器 ； 磁 芯 复 位 ； 开 关 电 源
1 引 言
    在 高 频 开 关 电 源 中 ， 需 要 检 测 出 开 关 管 、 电 感 等 元 器 件 的 电 流 提 供 给 控 制 、 保 护 电 路 使 用 。 电 流 检 测 方 法 有 电 流 互 感 器 、 霍 尔 元 件 和 直 接 电 阻 取 样 。 采 用 霍 尔 元 件 取 样 ， 控 制 和 主 功 率 电 路 有 隔 离 ， 可 以 检 出 直 流 信 号 ， 信 号 还 原 性 好 ， 但 有 μ s级 的 延 迟 ， 并 且 价 格 比 较 贵 ； 采 用 电 阻 取 样 价 格 非 常 便 宜 ， 信 号 还 原 性 好 ， 但 是 控 制 电 路 和 主 功 率 电 路 不 隔 离 ， 功 耗 比 较 大 。
    电 流 互 感 器 具 有 能 耗 小 、 频 带 宽 、 信 号 还 原 性 好 、 价 格 便 宜 、 控 制 和 主 功 率 电 路 隔 离 等 诸 多 优 点 。 在 Push Pull、 Bridge等 双 端 变 换 器 中 ， 功 率 变 压 器 原 边 流 过 正 负 对 称 的 双 极 性 电 流 脉 冲 ， 没 有 直 流 分 量 ， 电 流 互 感 器 可 以 得 到 很 好 的 应 用 。 但 在 Buck、 Boost等 单 端 应 用 场 合 ， 开 关 器 件 中 流 过 单 极 性 电 流 脉 冲 ； 原 边 包 含 的 直 流 分 量 不 能 在 副 边 检 出 信 号 中 反 映 出 来 ， 还 有 可 能 造 成 电 流 互 感 器 磁 芯 单 向 饱 和 ； 为 此 需 要 对 电 流 互 感 器 构 成 的 检 测 电 路 进 行 一 些 改 进 。
2 电 流 互 感 器 检 测 单 极 性 电 流 脉 冲 的 应用 电 路 分 析
    根 据 电 流 互 感 器 磁 芯 复 位 方 法 的 不 同 ， 可 有 两 种 电 路 形 式 ： 自 复 位 与 强 迫 复 位 。 自 复 位 在 电 流 互 感 器 原 边 电 流 脉 冲 消 失 后 ， 利 用 激 磁 电 流 通 过 电 流 互 感 器 副 边 的 开 路 阻 抗 产 生 的 负 向 电 压 实 现 复 位 ， 复 位 电 压 大 小 与 激 磁 电 流 和 电 流 互 感 器 开 路 阻 抗 有 关 。 强 迫 复 位 电 路 在 原 边 直 流 脉 冲 消 失 期 间 ， 外 加 一 个 大 的 复 位 电 压 ， 实 现 磁 芯 短 时 间 内 快 速 复 位 。
2.1 电 流 互 感 器 检 测 电 路
    常 用 的 电 流 互 感 器 检 测 电 路 如 图 1(a)所 示 。
    图 1(b)表 示 原 边 有 电 流 脉 冲 时 的 等 效 电 路 ， 电 流 互 感 器 简 化 为 理 想 变 压 器 与 励 磁 电 感 Lm模 型 ， Rs为 取 样 电 阻 。
    当 占 空 比 D< 0.5时 ， 在 电 流 互 感 器 原 边 电 流 脉 冲 消 失 后 ， 磁 芯 依 靠 励 磁 电 流 流 过 采 样 电 阻 Rs产 生 负 的 伏 秒 值 ， 实 现 自 复 位 〔 如 图 1（ d1） ～ （ i1） 所 示 〕 ， 由 于 采 样 电 阻 Rs很 小 ， 所 以 负 向 复 位 电 压 较 小 ； 当 电 流 脉 冲 占 空 比 很 大 时 (D >0.5)， 复 位 时 间 很 短 ， 没 有 足 够 的 复 位 伏 秒 值 ， 使 得 磁 芯 中 直 流 分 量 Id增 大 ， 有 可 能 造 成 磁 芯 逐 渐 正 向 偏 磁 饱 和 〔 如 图 1（ d2） ～ （ i2） 所 示 〕 ， 失 去 检 测 的 作 用 ， 所 以 自 复 位 只 能 应 用 于 电 流 脉 冲 占 空 比 D<0.5的 场 合 。

    可 以 看 出 ， 此 电 路 对 于 检 测 单 极 性 直 流 脉 冲 存 在 诸 多 缺 点 。 励 磁 电 感 电 流 im中 存 在 直 流 分 量 Id， 容 易 导 致 磁 芯 饱 和 。 输 出 电 压 信 号 uR为 双 极 性 ， 不 便 于 后 级 电 路 处 理 。
2.2 改 进 的 自 复 位 电 流 互 感 器
    为 了 实 现 输 出 电 压 uR的 单 极 性 输 出 ， 在 电 流 互 感 器 端 加 上 一 个 二 极 管 ， 根 据 原 边 输 入 电 流 i1与 输 出 电 压 uR的 相 位 的 不 同 、 信 号 地 位 置 的 不 同 ， 可 有 4种 电 路 结 构 ， 如 图 2所 示 。

    对 图 2(c)的 电 路 工 作 过 程 进 行 分 析 ， 电 路 在 一 个 脉 冲 周 期 内 的 工 作 波 形 如 图 3所 示 。
    图 3(c)表 示 电 流 互 感 器 磁 芯 复 位 时 的 等 效 电 路 ， CT为 电 流 互 感 器 副 边 分 布 电 容 ， CD为 二 极 管 结 电 容 。 图 3(d)～ (i)绘 出 了 占 空 比 小 时 ， 磁 芯 充 分 复 位 的 各 参 数 波 形 。

    在 电 流 互 感 器 原 边 电 流 脉 冲 消 失 后 ， 磁 芯 的 复 位 依 靠 励 磁 电 流 在 Lm、 CT、 CD中 谐 振 产 生 负 的 复 位 电 压 值 ， 实 现 自 复 位 ， 如 图 3(g)所 示 。 Lm、 CT构 成 的 谐 振 电 路 特 征 阻 抗 远 大 于 Rs， 所 以 复 位 效 果 好 于 图 1电 路 。 但 是 ， 谐 振 产 生 的 复 位 电 压 并 不 是 很 大 ， 当 脉 冲 占 空 比 很 大 时 ， 复 位 时 间 很 短 ， 仍 有 可 能 造 成 磁 芯 逐 渐 正 向 偏 磁 饱 和 ， 所 以 也 只 能 应 用 于 电 流 脉 冲 占 空 比 D<0.5的 场 合 。
    由 于 互 感 器 副 边 线 圈 匝 数 很 多 ， 分 布 电 容 大 ， 谐 振 电 流 主 要 从 电 流 互 感 器 流 过 ； 流 经 Rs、 CD支 路 的 电 流 很 小 ， 并 且 Rs很 小 ， 所 以 复 位 电 流 经 CD支 路 的 谐 振 电 流 在 Rs上 产 生 的 负 向 电 压 可 以 忽 略 ， 取 样 输 出 电 压 uR波 形 如 图 3(h)所 示 。 因 为 二 极 管 的 作 用 ， 输 出 电 压 信 号 uR为 单 极 性 ， 其 幅 值 与 原 边 电 流 信 号 脉 动 量 成 正 比 ， 便 于 后 级 电 路 处 理 。
2.3 强 迫 复 位
    在 单 端 应 用 中 ， 特 别 是 Boost电 路 中 ， 需 要 精 确 地 再 现 高 占 空 比 的 单 极 性 脉 冲 。 自 复 位 不 能 实 现 检 测 高 占 空 比 电 流 脉 冲 ， 必 须 对 磁 芯 进 行 强 迫 复 位 。 强 迫 复 位 的 电 路 很 多 ， 这 里 分 析 一 种 最 简 单 易 行 的 强 迫 复 位 电 路 。 如 图 4所 示 ， 分 别 对 应 于 图 2中 的 4种 电 路 。
    对 图 4(c)的 电 路 工 作 过 程 进 行 分 析 。 图 5(b)表 示 原 边 有 电 流 脉 冲 时 的 等 效 电 路 ， 由 于 二 极 管 的 隔 离 作 用 ， 复 位 电 压 ＋ Vr对 电 流 的 检 测 没 有 影 响 。 图 5(c)表 示 磁 芯 复 位 时 的 等 效 电 路 。 电 路 在 一个 脉 冲 周 期 内 的 工 作 波 形 如 图 5(d)～ (i)所 示 ， 0～ t1时 间 内 原 边 有 直 流 脉 冲 ， t1～ t2时 间 为 磁 芯 复 位 过 程 ， t2～ T为 复 位 完 毕 后 波 形 。



    在 电 流 互 感 器 原 边 电 流 脉 冲 消 失 后 ， 磁 芯 开 始 复 位 ， 二 极 管 反 向 阻 断 ， 复 位 电 压 Vr加 在 励 磁 电 感 上 ， 强 迫 磁 芯 快 速 复 位 。 图 5(g)绘 出 了 激 磁 电 感 上 的 电 压 ， 由 于 复 位 电 压 远 大 于 磁 芯 的 正 向 电 压 ， 所 以 磁 芯 能 够 在 很 短 的 时 间 内 充 分 复 位 ， 可 以 应 用 于 检 测 电 流 脉 冲 占 空 比 D >0.9的 场 合 。
    图 5(j)表 示 复 位 电 压 Vr给 检 测 信 号 带 来 的 误 差 。 磁 芯 复 位 完 毕 后 ， 电 流 互 感 器 副 边 相 当 于 一 根 导 线 ， Vr在 取 样 电 阻 上 有 一 个 分 压 ， 从 而 引 起 误 差 ， 大 小 为

由 于 Rr远 大 于 Rs， 所 以 VR(error)很 小 ， 可 以 忽 略 其 影 响 。 在 t2～ T时 间 内 ， 磁 芯 中 还 会 有 一 个 很 小 的 直 流 分 量 为

由 于 Rr很 大 ， 其 影 响 也 可 以 忽 略 。
2.4 多 个 电 流 互 感 器 的 组 合 使 用
    多 个 电 流 互 感 器 可 以 组 合 起 来 ， 用 于 检 测 含 有 低 频 分 量 的 单 极 性 高 频 直 流 脉 动 。 例 如 ， 常 用 的 由 Boost电 路 构 成 的 单 相 PFC电 路 ， 工 作 于 CCM状 态 ， 需 要 检 出 电 感 电 流 提 供 控 制 电 路 使 用 。 电 感 电 流 中 既 含 用 工 频 正 弦 电 流 ， 又 有 高 频 脉 动 电 流 ， 为 此 ， 可 以 用 电 流 互 感 器 分 别 检 出 开 关 管 、 二 极 管 中 的 单 极 性 电 流 脉 冲 ， 再 叠 加 起 来 ， 即 为 电 感 电 流 。 检 测 电 路 如 图 6所 示 ， 占 空 比 有 可 能 超 过 0.5， 所 以 磁 芯 需 要 强 迫 复 位 。

3 电 流 互 感 器 的 设 计 方 法
    根 据 原 边 电 流 i1大 小 、 副 边 输 出 电 压 Um的 要 求 确 定 电 流 互 感 器 变 比 n； 磁 芯 可 选 用 初 始 磁 导 率 大 的 铁 氧 体 材 料 ， 大 小 根 据 磁 路 有 效 面 积 确 定 。 可 按 式 （ 3） 选 择

式 中 ： Ae为 磁 路 有 效 截 面 积 ；
    Um为 电 流 互 感 器 副 边 输 出 最 大 电 压 ；
    N为 副 边 线 圈 匝 数 ；
    B为 磁 芯 最 大 工 作 磁 通 ， 一 般 取 为 饱 和 磁 通 的 1/2～ 1/3；
    fs为 原 边 脉 冲 电 流 频 率 。
    Rs根 据 副 边 最 大 电 压 Um、 电 流 IR求 出 ， Rr取 值 要 远 大 于 Rs， 可 以 是 Rs的 50～ 100倍 ， 具 体 大 小 可 根 据 实 验 结 果 调 整 。
4 实 验 结 果
    1） 在 Boost电 路 中 采 用 自 复 位 电 流 互 感 器 检 测 开 关 管 电 流 ， 提 供 给 控 制 电 路 电 流 反 馈 环 。 磁 芯 选 用 锰 锌 铁 氧 体 ， 磁 路 有 效 截 面 积 0.25 mm2， 变 比 100， 采 样 电 阻 3.9 Ω 。 开 关 频 率 20 kHz， 电 流 互 感 器 原 边 电 流 峰 值 3.6 A， 最 大 占 空 比 0.45。 实 验 波 形 如 图 7所 示 。


    2） 在 双 极 性 SPWM逆 变 电 路 中 ， 直 流 母 线 流 过 正 负 不 对 称 的 双 极 性 电 流 脉 冲 ， 采 用 强 迫 复 位 电 流 互 感 器 检 测 出 来 ， 提 供 给 的 过 流 、 直 通 保 护 电 路 。 磁 芯 选 用 锰 锌 铁 氧 体 ， 磁 芯 截 面 积 0.35 mm2， 变 比 100， 采 样 电 阻 16 Ω 。 开 关 频 率 20 kHz， 逆 变 输 出 正 弦 波 频 率 50 Hz， 电 流 互 感 器 原 边 电 流 峰 值 为 3 A， 最 大 占 空 比 0.95。 一 个 开 关 周 期 内 及 一 个 工 频 周 期 内 的 实 验 波 形 分 别 如 图 8及 图 9所 示 。




5 结 语
    本 文 分 析 了 自 复 位 、 强 迫 复 位 电 流 互 感 器 检 测 单 极 性 直 流 脉 冲 时 的 工 作 过 程 ， 绘 出 了 电 路 在 一 个 脉 冲 周 期 内 的 波 形 ， 比 较 了 各 种 电 路 磁 芯 复 位 的 的 特 点 ， 简 单 的 介 绍 了 电 流 互 感 器 的 设 计 方 法 。 试 验 结 果 验 证 了 分 析 的 正 确 性 。
参 考 文 献
[1] Philip C.Todd. Extend Current Transformer Range[Z].Unitrode Design Note DN－ 41, 1997.
[2] 张 占 松 ,蔡 宣 三 .开 关 电 源 的 原 理 与 设 计 [M].北 京 :电 子 工 业 出 版 社 ,1999.

答 1: 电流互感器在开关电源中的应用太精点了 答 2: re我们公司好几年以前就是用这个方法了