常用的電流互感器檢測(cè)電路分析

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)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?gòu)?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<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

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種電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

(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3.9Ω。開關(guān)頻率20kHz，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。

(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m波形

(b)采樣電阻電壓R波形

圖8一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)波形

(a)副邊電壓m波形

(b)采樣電阻電壓R波形