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)成的檢測電路進(jìn)行一些改進(jìn)。

2 電流互感器檢測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 電流互感器檢測電路

常用的電流互感器檢測電路如圖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D0.5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??；當(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〕，失去檢測的作用，所以自復(fù)位只能應(yīng)用于電流脈沖占空比D0.5的場合。

(a)檢測電路

(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電路分析

可以看出，此電路對(duì)于檢測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)的電流互感器檢測電路分析