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m模型，s為取樣電阻,。
當(dāng)占空比<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s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s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)(>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(fù)位只能應(yīng)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(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,，此電路對于檢測單極性直流脈沖存在諸多缺點(diǎn),。勵(lì)磁電感電流m中存在直流分量d,，容易導(dǎo)致磁芯飽和。輸出電壓信號(hào)R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R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1與輸出電壓R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
圖3(c)表示電流互感器磁芯復(fù)位時(shí)的等效電路，T為電流互感器副邊分布電容,，D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m、T,、D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,。m,、T構(gòu)成的諧振電路特征阻抗遠(yuǎn)大于s，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<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)s,、D支路的電流很小，
并且s很小,，所以復(fù)位電流經(jīng)D支路的諧振電流在s上產(chǎn)生的負(fù)向電壓可以忽略,，取樣輸出電壓R波形如圖3(h)所示,。因?yàn)槎O管的作用，輸出電壓信號(hào)R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,。電路在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的工作波形如圖5(d)～(i)所示，0～1時(shí)間內(nèi)原邊有直流脈沖,，1～2時(shí)間為磁芯復(fù)位過程,，2～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電路
(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
(j)復(fù) 位 電 壓 對 采 樣 影 響
圖5 強(qiáng)迫復(fù)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(fù)位,，二極管反向阻斷，復(fù)位電壓r加在勵(lì)磁電感上,，強(qiáng)迫磁芯快速復(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)用于檢測電流脈沖占空比>0.9的場合。
圖5(j)表示復(fù)位電壓Vr給檢測信號(hào)帶來的誤差,。磁芯復(fù)位完畢后,，電流互感器副邊相當(dāng)于一根導(dǎo)線，Vrr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,，用于檢測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,，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(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,?？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(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 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m波 形
(b) 采 樣 電 阻 電 壓R波 形
圖7 實(shí) 驗(yàn) 波 形
2）在雙極性SPWM逆變電路中,，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。磁芯選用錳鋅鐵氧體,，磁芯截面積0.35mm2,，變比100，采樣電阻16Ω,。開關(guān)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(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。
(a) 副 邊 電 壓m波 形
(b) 采 樣 電 阻 電 壓R波 形
圖8 一 個(gè) 開 關(guān) 周 期 內(nèi) 波 形
(a) 副 邊 電 壓m波 形
(b) 采 樣 電 阻 電 壓R波 形
圖 9 一 個(gè) 工 頻 周 期 內(nèi) 波 形
5 結(jié)語
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),，簡單的介紹了電流互感器的設(shè)計(jì)方法,。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分析的正確性。