电流互感器在开关电源中的应用

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1、电流互感器在开关电源中的应用陶洪山，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μs级的延迟，并且价格比较贵；采用电阻

2、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 

3、  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

4、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。(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im中存在直流分量Id

5、，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。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，CT为电流互感器副边分

6、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

7、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

8、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。