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(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)成的檢測電路進行一些改進。

       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),。強迫復(fù)位電路在原邊直流脈沖消失期間，外加一個大的復(fù)位電壓,，實現(xiàn)磁芯短時間內(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(dāng)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(chǎn)生負(fù)的伏秒值,，實現(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?。划?dāng)電流脈沖占空比很大時(>0.5),，復(fù)位時間很短,，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)原邊有脈沖時等效電路

(c)磁芯復(fù)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(dǎo)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(fù)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(jié)構(gòu)，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(nèi)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(fù)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(fù)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(jié)電容。圖3(d)～(i)繪出了占空比小時,，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)位依靠勵磁電流在m,、T,、D中諧振產(chǎn)生負(fù)的復(fù)位電壓值，實現(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,，復(fù)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(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(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)位不能實現(xiàn)檢測高占空比電流脈沖,，必須對磁芯進行強迫復(fù)位。強迫復(fù)位的電路很多,，這里分析一種最簡單易行的強迫復(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(fù)位電壓＋Vr對電流的檢測沒有影響。圖5(c)表示磁芯復(fù)位時的等效電路,。電路在一個脈沖周期內(nèi)的工作波形如圖5(d)～(i)所示,，0～1時間內(nèi)原邊有直流脈沖，1～2時間為磁芯復(fù)位過程,，2～為復(fù)位完畢后波形,。

圖4強迫復(fù)位的電流互感器檢測電路

(a)檢測電路

(b)原邊有脈沖時等效電路

(c)磁芯復(fù)位時等效電路

(j)復(fù) 位 電 壓 對 采 樣 影 響

圖5    強迫復(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加在勵磁電感上,，強迫磁芯快速復(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V_r給檢測信號帶來的誤差,。磁芯復(fù)位完畢后，電流互感器副邊相當(dāng)于一根導(dǎo)線,，V_rr在取樣電阻上有一個分壓,，從而引起誤差，大小為

            V_R(error)=·V_r（1）

        由于R_r遠(yuǎn)大于R_s,，所以V_R(error)很小,，可以忽略其影響。在t₂～T時間內(nèi),，磁芯中還會有一個很小的直流分量為

        i_m=－（2）

        由于R_r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(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)計方法

        根據(jù)原邊電流i₁大小,、副邊輸出電壓U_m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

        A_e=    （3）

        式中：A_e為磁路有效截面積,；

        U_m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,；

        f_s為原邊脈沖電流頻率,。

        R_s根據(jù)副邊最大電壓U_m、電流I_R求出,，R_r取值要遠(yuǎn)大于R_s,，可以是R_s的50～100倍，具體大小可根據(jù)實驗結(jié)果調(diào)整,。

       4    實驗結(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 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(fù)不對稱的雙極性電流脈沖,，采用強迫復(fù)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(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。一個開關(guān)周期內(nèi)及一個工頻周期內(nèi)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(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 工 頻 周 期 內(nèi) 波 形

       5    結(jié)語

       本文分析了自復(fù)位,、強迫復(fù)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(nèi)的波形,，比較了各種電路磁芯復(fù)位的的特點，簡單的介紹了電流互感器的設(shè)計方法,。試驗結(jié)果驗證了分析的正確性,。