常用的电流互感器检测电路分析

常用的电流互感器检测电路分析在高频开关电源中，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。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 m 模型， s 为取样电阻。当占空比 ，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 d 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 的场合。(a)检测电路(b)原边有脉冲时等效电路(c)磁芯复位时等效电路图 1 常用的电流互感器检测电路分析可以看出，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m 中存在直流分量d，容易导致磁芯饱和。输出电压信号R 为双极性，不便于后级电路处理。改进的自复位电流互感器为了实现输出电压R 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 1 与输出电压R 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。图 2 改进的电流互感器检测电路对图 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。(a)检测电路(b)原边有脉冲时等效电路(c)磁芯复位时等效电路图 3 改进的电流互感器检测电路分析图 3(c)表示电流互感器磁芯复位时的等效电路，T 为电流互感器副边分布电容，D 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m、 T、 D 中谐振产生负的复位电压值，实现自复位，如图3(g)所示。 m、 T 构成的谐振电路特征阻抗远大于s，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， Vrr 在取样电阻上有一个分压，从而引起误差，大小为VR(error)=Vr（ 1）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im=（2）由于 Rr 很大，其影响也可以忽略。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，所以磁芯需要强迫复位。图 6 电流互感器组合使用合成电感电流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Ae=（3 ）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0.25mm2 ， 变边电流峰比 100， 采 样 电 阻 。 开 关 频 率 20 kHz， 电 流 互 感 器 原值3.6A，最大占空比。实验波形如图7所示。(a) 副 边 电 压 m 波 形(b) 采样电阻电压R波形图7实验波形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，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，截面积 0.35mm2 ，变比 100，采样电阻 16。开关频率 20kHz，逆变输出正弦波频率采用磁芯50Hz，电流互感器原边电流峰值为 3A，最大占空比。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。(a) 副 边 电 压 m 波 形(b) 采样电阻电压R波形图8一个开关周期内波形(a) 副 边 电 压 m 波 形(b) 采样电阻电压R波形图9一个工频周期内波形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。