電流互感器在開關(guān)電源中的應(yīng)用

圖3(c)表示電流互感器磁芯復(fù)位時(shí)的等效電路，CT為電流互感器副邊分布電容，CD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Lm、CT、CD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。Lm、CT構(gòu)成的諧振電路特征阻抗遠(yuǎn)大于Rs，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)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D0.5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)Rs、CD支路的電流很小，并且Rs很小，所以復(fù)位電流經(jīng)CD支路的諧振電流在Rs上產(chǎn)生的負(fù)向電壓可以忽略，取樣輸出電壓uR波形如圖3(h)所示。因?yàn)槎O管的作用，輸出電壓信號(hào)uR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，需要精確地再現(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)行強(qiáng)迫復(fù)位。強(qiáng)迫復(fù)位的電路很多，這里分析一種最簡(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)行分析。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～t1時(shí)間內(nèi)原邊有直流脈沖，t1～t2時(shí)間為磁芯復(fù)位過(guò)程，t2～T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

(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

(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Vr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D>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，Vr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(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)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。可按式（3）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 3.9 Ω 。 開 關(guān) 頻 率 20 kHz， 電 流 互 感 器 原 邊 電 流 峰 值 3.6 A， 最 大 占 空 比 0.45。 實(shí) 驗(yàn) 波 形 如 圖 7所 示 。

(a) 副 邊 電 壓um波 形