1 引言
在高頻開關電源中,，需要檢測出開關管,、電感等元器件的電流提供給控制、保護電路使用,。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，信號還原性好,，但有μs級的延遲,，并且價格比較貴；采用電阻取樣價格非常便宜,，信號還原性好,，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、信號還原性好,、價格便宜,、控制和主功率電路隔離等諸多優(yōu)點。在Push-Pull,、Bridge等雙端變換器中,，功率變壓器原邊流過正負對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用,。但在Buck、Boost等單端應用場合,，開關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,；為此需要對電流互感器
構成的檢測電路進行一些改進,。
2 電流互感器檢測單極性電流脈沖的應用電路分析
根據(jù)電流互感器磁芯復位方法的不同，可有兩種電路形式：自復位與強迫復位,。自復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生的負向電壓實現(xiàn)復位，復位電壓大小與激磁電流和電流互感器開路阻抗有關,。強迫復位電路在原邊直流脈沖消失期間,，外加一個大的復位電壓，實現(xiàn)磁芯短時間內快速復位,。
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的等效電路，電流互感器簡化為理想變壓器與勵磁電感m模型,，s為取樣電阻,。
當占空比<0.5時，在電流互感器原邊電流脈沖消失后,，磁芯依靠勵磁電流流過采樣電阻s產生負的伏秒值,，實現(xiàn)自復位〔如圖1（d1）～（i1）所示〕，由于采樣電阻s很小,，所以負向復位電壓較?。划旊娏髅}沖占空比很大時(>0.5),，復位時間很短,，沒有足夠的復位伏秒值，使得磁芯中直流分量d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，所以自復位只能應用于電流脈沖占空比<0.5的場合,。
(a)檢測電路
(b)原邊有脈沖時等效電路
(c)磁芯復位時等效電路
圖1 常用的電流互感器檢測電路分析
可以看出,，此電路對于檢測單極性直流脈沖存在諸多缺點。勵磁電感電流m中存在直流分量d,，容易導致磁芯飽和,。輸出電壓信號R為雙極性，不便于后級電路處理,。
2.2 改進的自復位電流互感器
為了實現(xiàn)輸出電壓R的單極性輸出,，在電流互感器端加上一個二極管，根據(jù)原邊輸入電流1與輸出電壓R的相位的不同,、信號地位置的不同,，可有4種電路結構，如圖2所示,。
圖2 改進的電流互感器檢測電路
對圖2(c)的電路工作過程進行分析,，電路在一個脈沖周期內的工作波形如圖3所示。
(a)檢測電路
(b)原邊有脈沖時等效電路
(c)磁芯復位時等效電路
圖3 改進的電流互感器檢測電路分析
圖3(c)表示電流互感器磁芯復位時的等效電路,，T為電流互感器副邊分布電容,，D為二極管結電容。圖3(d)～(i)繪出了占空比小時,，磁芯充分復位的各參數(shù)波形,。
在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯的復位依靠勵磁電流在m,、T,、D中諧振產生負的復位電壓值,，實現(xiàn)自復位，如圖3(g)所示,。m,、T構成的諧振電路特征阻抗遠大于s，所以復位效果好于圖1電路,。但是,，諧振產生的復位電壓并不是很大，當脈沖占空比很大時,，復位時間很短,，仍有可能造成磁芯逐漸正向偏磁飽和，所以也只能應用于電流脈沖占空比<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s,、D支路的電流很小，
并且s很小,，所以復位電流經D支路的諧振電流在s上產生的負向電壓可以忽略,，取樣輸出電壓R波形如圖3(h)所示。因為二極管的作用,，輸出電壓信號R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 強迫復位
在單端應用中,，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,。自復位不能實現(xiàn)檢測高占空比電流脈沖,，必須對磁芯進行強迫復位。強迫復位的電路很多,，這里分析一種最簡單易行的強迫復位電路,。如圖4所示，分別對應于圖2中的4種電路,。
對圖4(c)的電路工作過程進行分析,。圖5(b)表示原邊有電流脈沖時的等效電路，由于二極管的隔離作用,，復位電壓＋Vr對電流的檢測沒有影響,。圖5(c)表示磁芯復位時的等效電路。電路在一個脈沖周期內的工作波形如圖5(d)～(i)所示，0～1時間內原邊有直流脈沖,，1～2時間為磁芯復位過程,，2～為復位完畢后波形。
圖4強迫復位的電流互感器檢測電路
(a)檢測電路
(b)原邊有脈沖時等效電路
(c)磁芯復位時等效電路
(j)復 位 電 壓 對 采 樣 影 響
圖5 強迫復位的電流互感器檢測電路分析
在電流互感器原邊電流脈沖消失后,，磁芯開始復位,，二極管反向阻斷，復位電壓r加在勵磁電感上,，強迫磁芯快速復位。圖5(g)繪出了激磁電感上的電壓,，由于復位電壓遠大于磁芯的正向電壓,，所以磁芯能夠在很短的時間內充分復位，可以應用于檢測電流脈沖占空比>0.9的場合,。
圖5(j)表示復位電壓Vr給檢測信號帶來的誤差,。磁芯復位完畢后，電流互感器副邊相當于一根導線,，Vrr在取樣電阻上有一個分壓,，從而引起誤差，大小為
VR(error)=
·Vr（1）
由于Rr遠大于Rs,，所以VR(error)很小,，可以忽略其影響。在t2～T時間內,，磁芯中還會有一個很小的直流分量為
im=－
（2）
由于Rr很大,，其影響也可以忽略。
2.4 多個電流互感器的組合使用
多個電流互感器可以組合起來,，用于檢測含有低頻分量的單極性高頻直流脈動,。例如，常用的由Boost電路構成的單相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,，又有高頻脈動電流,，為此，可以用電流互感器分別檢出開關管,、二極管中的單極性電流脈沖,，再疊加起來，即為電感電流,。檢測電路如圖6所示,，占空比有可能超過0.5，所以磁芯需要強迫復位。
圖6 電流互感器組合使用合成電感電流
3 電流互感器的設計方法
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率大的鐵氧體材料，大小根據(jù)磁路有效面積確定,?？砂词剑?）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取值要遠大于Rs,，可以是Rs的50～100倍，具體大小可根據(jù)實驗結果調整,。
4 實驗結果
1）在Boost電路中采用自復位電流互感器檢測 開 關 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 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 驗 波 形 如 圖 7所 示 ,。
(a) 副 邊 電 壓m波 形
(b) 采 樣 電 阻 電 壓R波 形
圖7 實 驗 波 形
2）在雙極性SPWM逆變電路中，直流母線流過正負不對稱的雙極性電流脈沖,，采用強迫復位電流互感器檢測出來,，提供給的過流、直通保護電路,。磁芯選用錳鋅鐵氧體,，磁芯截面積0.35mm2，變比100,，采樣電阻16Ω,。開關頻率20kHz，逆變輸出正弦波頻率50Hz,，電流互感器原邊電流峰值為3A,，最大占空比0.95。一個開關周期內及一個工頻周期內的實驗波形分別如圖8及圖9所示。
(a) 副 邊 電 壓m波 形
(b) 采 樣 電 阻 電 壓R波 形
圖8 一 個 開 關 周 期 內 波 形
(a) 副 邊 電 壓m波 形
(b) 采 樣 電 阻 電 壓R波 形
圖 9 一 個 工 頻 周 期 內 波 形
5 結語
本文分析了自復位,、強迫復位電流互感器檢測單極性直流脈沖時的工作過程,，繪出了電路在一個脈沖周期內的波形，比較了各種電路磁芯復位的的特點,，簡單的介紹了電流互感器的設計方法,。試驗結果驗證了分析的正確性。