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電流互感器在開關(guān)電源中的應(yīng)用 |
| 作者：輕輕紅過 欄目：電源技術(shù) |
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 的 單 極 性 電 流 脈 沖 。 分 析 了 電 流 互 感 器 構(gòu) 成 的 電 流 檢 測 電 路 工 作 過 程 。 比 較 了 磁 芯 自 復(fù) 位 、 強(qiáng) 迫 復(fù) 位 的 特 點(diǎn) 。 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 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 ， 信 號 還 原 性 好 ， 但 有 μ s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 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(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 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 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（ d1） ～ （ i1） 所 示 〕 ， 由 于 采 樣 電 阻 Rs很 小 ， 所 以 負(fù) 向 復(fù) 位 電 壓 較 小 ； 當(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 。 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 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 Lm、 CT、 CD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 。 Lm、 CT構(gòu) 成 的 諧 振 電 路 特 征 阻 抗 遠(yuǎn) 大 于 Rs， 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 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) 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 為 二 極 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(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～ t1時(shí) 間 內(nèi) 原 邊 有 直 流 脈 沖 ， t1～ t2時(shí) 間 為 磁 芯 復(fù) 位 過 程 ， t2～ T為 復(fù) 位 完 畢 后 波 形 。 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 Vr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 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 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 t2～ T時(shí) 間 內(nèi) ， 磁 芯 中 還 會 有 一 個(gè) 很 小 的 直 流 分 量 為 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 。 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 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 Boo |
| 2樓： | >>參與討論 |
| 作者： 沙漠海2006 于 2006/4/12 21:39:00 發(fā)布：
電流互感器在開關(guān)電源中的應(yīng)用 太精點(diǎn)了 |
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| 3樓： | >>參與討論 |
| 作者： baiwfgjxx 于 2006/4/19 19:07:00 發(fā)布：
re 我們公司好幾年以前就是用這個(gè)方法了 |
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