電流互感器應(yīng)用

1、電流互感器在開關(guān)電源中的應(yīng)用陶洪山，吳燮華( 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)摘 要：電流互感器可以用來檢測高頻開關(guān)電源中 單極性電流脈沖。分析了電流互感器構(gòu)成的電流檢 電路工作過程。比較了磁芯自復(fù)位、強(qiáng)迫復(fù)位的特 。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 源在高頻開關(guān)電源中，需要檢測出開關(guān)管、電感等元的電 流 提 供 給 控 制 、保 護(hù) 電 路 使 用 。電 流 檢 測 方法流互 感 器 、霍 爾 元 件 和 直 接 電 阻 取 樣 。采 用 霍 爾元樣，控制和主功率電路有隔離，可以檢出直流信信信號還原性好，但有N s級的延遲，并且價(jià)

2、格比較采用 電 阻 取 樣 價(jià) 格 非 常便 宜 ，信 號 還 原 性 好 ，但是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 還 原 性 好 、價(jià)宜、控制和主 功 率 電 路 隔 離 等 諸 多 優(yōu) 點(diǎn) 。 在 Push、 Bridge等雙端變換器中，功率變壓器原邊流過正負(fù)的雙極性電流 脈 沖 ，沒 有 直 流 分 量 ，電 流 互 感 器 可到很好的應(yīng)用 。 但 在Buck、 Boost 等 單 端 應(yīng) 用 場 合 ， 開件中流過單極性電流脈沖；原邊包含的直流分量在副邊檢出信號中反映出來，還有可能造成電流器磁電路芯 進(jìn)單向行一飽和；為此

3、需要對電流互感器構(gòu)成的 些改進(jìn)。Pu2 電 流 互 感 器 檢 測 單 極 性 電 流 脈 沖 的 應(yīng)用 電 路 分電邊 種原邊 種副K 口齊兩器 有 感 感器 可互互小電 大位 壓復(fù) 電迫 位強(qiáng)，流流復(fù)。 同電電，關(guān) 不在過位有 的位通復(fù)抗 法復(fù)流現(xiàn)阻方自電實(shí)路位 復(fù) 芯 磁 器 感 互 流 電磁壓開 位激電器 迫復(fù)用向感 利負(fù)互 ，的流 位與后生電 失產(chǎn)和 復(fù)消抗流 ：自沖阻電居據(jù)式脈路磁 艮根形流開激壓電位復(fù)的大個(gè)一加外，。 間位 期復(fù) 失速 消快 沖內(nèi) 脈間 流時(shí) 直短 邊芯 原磁 在現(xiàn)析 路電的與路實(shí)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圖 1(b)

4、表 示 原 邊 有 電 流 脈 沖 時(shí) 的 等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D< 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Rs產(chǎn)生負(fù)的伏秒 值，實(shí)現(xiàn)自復(fù)位如圖1（ di）（i1）所示，由于采 樣電阻Rs很小，所以負(fù)向復(fù)位電壓較?。划?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 D<0.5的場合。法芯I位葉34電路出I 需用的電工互驅(qū)S險(xiǎn)

5、制電不才行可以看出，此電路對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uR為雙極性，不便于后級電路 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、信號地位置的不同，可有4種電路結(jié) 構(gòu)，如圖2所示。對圖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。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

6、 形。u)電之發(fā)住用手政也拈11 1由4 改變的電段互由片橙用電路余竹依實(shí)阻產(chǎn)位以在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯的復(fù)位 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， 現(xiàn)自復(fù)位，如圖3(g)所示。Lm、CT構(gòu)成的諧振電路特征 抗遠(yuǎn)大于Rs,所以復(fù)位效果好于圖1電路。但是，諧振 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) 時(shí)間很短，仍有可能造成磁芯逐漸正向偏磁飽和，所 也只能應(yīng)用于電流脈沖占空比D<0.5的場合。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；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)

7、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uR為單 極性，其幅值與原邊電流信號脈動量成正比，便于后級 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)檢測高占 空比電流脈沖，必須對磁芯進(jìn)行強(qiáng)迫復(fù)位。強(qiáng)迫復(fù)位的 電路很多，這里分析一種最簡單易行的強(qiáng)迫復(fù)位電路。 如圖4所示，分別對應(yīng)于圖2中的4種電路。對圖4(c)的電路工作過程進(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對電流的檢測沒有影響。圖5(c)表示磁芯復(fù) 位時(shí)的等效電路。電

8、路在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的工作波形如 圖5(d)(i)所示，0t1時(shí)間內(nèi)原邊有直流脈沖，t1t2 時(shí)間為磁芯復(fù)位過程，t2T為復(fù)位完畢后波形。國4 裝連iH的電泡金小S檢用電期位迫于枝芯夏佳葉羊被電制Ijl4”電層叫看4方嗎國5 強(qiáng)迫里心的電灣及片M門明也路才好在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯開始復(fù) 管反向阻斷，復(fù)位電壓Vr加在勵(lì)磁電感上，強(qiáng) 速復(fù)位。圖5(g)繪出了激磁電感上的電壓，由 壓遠(yuǎn)大于磁芯的正向電壓，所以磁芯能夠在 間內(nèi)充分復(fù)位，可以應(yīng)用于檢測電流脈沖占，磁復(fù)短極快電時(shí)二芯位的空比D >0.9的場合。圖5(j)表示復(fù)位電壓Vr給檢測信號帶來的誤差。磁芯 復(fù)位完畢后，電流互感器副

9、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，大小為由于Rr遠(yuǎn)大于Rs,所以VR(error)很小，可以忽略其影響。 在t2T時(shí)間內(nèi)，磁芯中還會有一個(gè)很小的直流分量為生+此 一由于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單單控有關(guān)為的的供又開即量成提，出，分構(gòu)流流檢來多個(gè)電流互感器可以組合起來，用于檢測含有低頻 極性高頻直流脈動。例如，常用的由Boost電路 相PFC電路，工作于CCM犬態(tài)，需要檢出電感電 制電路使用。電感電流中既含用工頻正弦電 高頻脈動電流，為此，可以用電流互感器分別 管、二極管中的單極性電流脈沖，再疊加起 電感電流。檢測電路如圖6所示，占

10、空比有可 能超過0.5 ,所以磁芯需要強(qiáng)迫復(fù)位。由h電戊RRW爆臺是用令我電學(xué)包點(diǎn)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50100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)位電流互感器檢測開關(guān)管

11、 電流，提供給控制電路電流反饋環(huán)。磁芯選用銳鋅鐵氧 體，磁路有效截面積0.25 mm2 變比100 ,采樣電阻3.9 Q 。 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。1l k 匕缽吧國電外h.就看 田丁 工會武安2 ）在雙極性SPWM變電路中，直流母線流過正負(fù)不 對稱的雙極性電流脈沖，采用強(qiáng)迫復(fù)位電流互感器檢 測出來，提供給的過流、直通保護(hù)電路。磁芯選用鉆鋅 鐵氧體，磁芯截面積0.35 mm2 ,變比100 ,采樣電阻16 Q。 開關(guān)頻率20 kHz,逆變輸出正弦波頻率50 Hz,電流互感器 原邊電流峰值為3 A,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。(10 £桿業(yè)型電壓”汶壽留K 一個(gè)年關(guān)用期內(nèi)或考lb)w樣電觸電化“波步田9 一個(gè)工餞弼期內(nèi)波布本文分析了自復(fù)位、強(qiáng)迫復(fù)位電流互感器檢測單極 性直流脈沖時(shí)的工作過程，繪出了電路在一個(gè)脈沖周 期 內(nèi) 的 波 形 ，比 較 了 各 種 電 路 磁 芯 復(fù) 位 的 的 特 點(diǎn) ，簡 單 的