开关电源中电流互感器设计Word格式文档下载.docx

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应用线性光耦组成的电流检测隔离电路（图3）的线性度好，电路简单，能够检测直流电流，有效地解决了模拟信号与采样控制系统的电气隔离问题，而且精度高、成本低。

但是线性光耦的一个显著缺点就是电流检测的延时，因为线性光耦的带宽一般在数十kHZ以下，延时在数微秒以上。

随着开关电源的发展，开关频率越来越高，这个问题也越来越突出。

2.电流互感器设计方法

2.1交流互感器

2.1.1基本原理

交流互感器一般采用环形磁芯，初级线圈N1一匝或数匝,而次级N2匝数较多。

为便于测量，次级通常接有检测电阻R,将电流信号变换成电压信号，如图9-1所示。

假设初级流过正弦波交流电流I1时，次级感应电压产生一个输出电流I2。

根据回路安培定律有

（2-1）

式中H－磁芯中磁场强度；

l－磁芯平均磁路长度；

i1和i2为初级和次级瞬时电流。

次级反射到初级的电流有效值I2’为：

（2-2）

因此初级电流有效值为：

（2-3）

式中

－磁化电流。

等效电路和电流关系如图9-2所示。

理想情况下互感器的激磁电感无穷大，激磁电流

则

（2-4）

图4交流电流互感器

实际激磁电感不可能无穷大，总是存在激磁电流。

为了维持

，次级感应电势为

（2-5）

—次级线圈电阻（Ω）；

f—电流频率（Hz）；

B—磁芯工作峰值磁感应强度（T）；

A—磁芯截面积（

）；

B—R－检测电阻。

图5电流互感器等效电路（a）和相量图（b）

由相量图可知,次级反射电流与初级电流的相位差

（2-6）

—次级反射到初级的阻抗；

而初级激磁电感

（2-7）

－磁芯的幅值磁导率；

考虑到

和

，则

（2-8）

因此，次级检测电流与初级电流的幅值相对误差（检测幅值精度）

（2-9）

展开成级数，在

很小的时候，忽略高次项，有

因此，

（2-9a）

从式（2-8）,（2-9）可知，要减少幅值和相位误差，在一定的频率下，应当减少检测电阻或增加次级激磁电感L2。

在给定次级检测电压u2的情况下，减少检测电阻R，次级电流I2将反比增加，次级匝数减少，将导致L2的平方减少，检测误差加大。

因此，为了减少检测误差，增加次级激磁电感是提高检测精度的唯一的方法。

2.2交流电流互感器设计

交流互感器设计前应当知道互感器的工作频率

，检测的电流－初级电流

，次级所需电压U2（有效值）和检测精度γ。

互感器设计原则是要保证电流检测精度。

初始设计时可不考虑线圈电阻

在次级激磁电抗远远大于检测电阻时,式（2-8）可近似写为

以及

，可以得到

（2-10）

—磁芯电感常数。

一般初级线圈N1=1,考虑到式（2-9a），因此

（2-10a）

根据给定允许的幅值误差γ或允许的相位误差δ选择磁芯尺寸和次级线圈匝数。

选取较多的次级匝数对提高测量精度是有益的。

但是次级匝数过多，一方面绕线困难，另一方面导线长度增长，线圈电阻增加，又降低了检测精度，一般N2在500匝以下。

根据工作频率选择磁芯材料，例如50Hz选用钢片厚0.35mm环形磁芯，400Hz选用0.1mm高硅薄带环形磁芯；

高于10kHz选用非晶态或铁氧体材料等等，选择尽量高的μ材料。

如果要求检测相位误差极小，低频时应选择μ极高的皮莫合金或非晶态磁芯。

还应当注意，这里

为幅值相对磁导率，在手册中没有列出。

在低磁感应强度时一般和初始磁导率

相近，初始设计时，可用

代替

。

在选定

后，由式（2-10a）求得

值。

低频时硅钢片或非晶态材料手册中并未给出

值，可根据手册中环形磁芯结构参数计算：

（2-11）

—有效磁路长度（m）；

—磁芯有效截面积（

）。

已知N2后,就可决定次级检测电阻

（2-12）

如果只关心幅值检测精度，幅值为γ=1%时，相位误差θ可达8º

（约为0.14弧度），可选择较小的磁芯。

2.2脉冲直流互感器

如电流控制型变换器开关电源电中，需要检测电感电流或功率晶体管集电极电流的互感器（图6（a））以及双极型晶体管比例驱动电路（图6（b））用来检测集电极电流的反馈互感器，都是直流脉冲互感器。

2.2.1基本原理

脉冲直流互感器与交流电流互感器不同，交流信号使磁芯双向对称磁化，而直流而脉冲互感器是单向磁化，属于正激变换器工作方式（图6）。

如果采用环形磁芯，当初级电流流通（Ton）时，磁芯由剩磁感应增大；

当初级电流由通流变为零时，次级感应电势将二极管击穿，使磁芯复位到剩磁感应Br。

磁芯工作在局部磁化曲线上。

以矩形波初级电流为例，图7为相关波形图。

也可以在次级二极管前用一个大电阻完成磁芯复位，如图6（b）中R，为了复位，如果次级电感为L2，应当满足最小截止时间

如前所述，互感器是一种特殊的变压器。

根据变压器原理，磁芯的正负伏秒面积相等,即

（2-13）

—次级感应电势，等于二极管压降与次级电流

在次级回路电阻上的压降总和；

—直流脉冲宽度；

—二极管击穿电压；

—复位时间。

通常初级线圈为一匝，根据全电流定律，在导通期间有：

图6直流脉冲电流互感器

（2-14）

—磁化电流。

如果磁芯磁导率为无穷大，磁化电流为零，则次级电流

（2-15）

则次级检测电阻R上的电压

正比于输入电流

2.2.2直流脉冲互感器的设计

直流脉冲互感器设计与交流互感器设计相似。

次级感应电势

（2-16）

如果初级电流波形为矩形波（图7），或次级负载是几个二极管的正向压降，而线圈电阻可以忽略时，次级感应电势近似为电压源。

因此有

（2-17）

如果磁芯增量磁导率

为常数，并考虑到

，互感器激磁电流

（2-18）

图7直流脉冲互感器波形

如

上式改成

（2-18a）

分别为磁芯的有效磁路长度和有效截面积；

为增量磁导率，一般比初始磁导率低。

—为磁芯的电感系数。

从波形图可以看到，磁化电流随导通时间加长而增加，在导通时间结束时达到最大。

由式（2-14）可知，次级电流由于初级激磁电流增加而产生平顶降落，即波形失真，也就是检测误差。

如果定义幅值误差为

（2-19）

得到

（2-19a）

在给定次级电压和允许平顶降落γ后，就可以设计互感器。

对于比例驱动互感器，一般已知晶体管的工作电流下的β，为保证初始激励下进入比例驱动，当初级一般为1匝时，应满足

次级电压为串联二极管正向压降之和。

因此

（2-20）

通常采用环形磁芯，互感器磁芯工作在局部磁化曲线上，不能应用矩形回线材料，应当选用剩磁感应小，而磁导率大的材料。

3.电流互感器检测电路

将电流互感器应用在Buck变换器中来检测负载直流电流。

不仅可以保证Buck变换器构成的开关电源负载电流取样的准确度，而且保证了功率开关器件过电流保护的及时性，同时提高了功率MOSFET的散热特性。

图8、电流互感器应用于Buck变换器

功率MOSFETVT1、VT2在SG3525的控制下，分别在各自的相位角180º

内交替导通，斩波电压经VD1续流，L1与C1储能滤波后输出所需直流电压。

MOSFET电流互感器T2的一次绕组为两个单线圈，分别检测VT1、VT2的电流，VT1的电流正向通过绕组，VT2的电流反向通过绕组，因此可以在电流互感器的二次侧感应出正负相间的脉冲电流信号，R5两端的脉冲电压的绝对值与通过功率MOSFET的电流成正比。

开关电源的电流取样一般分为峰值取样和平均值取样两种。

电流检测的用途不同，取样最佳方式也不同。

若作为过电流保护信号，电流峰值取样较好，它反应速度快、能及时保护功率开关管等器件图4中R5两端的电压信号可以用作电流峰值取样信号，整流后加一只电压比较器就可以构成过电流保护电路。

如果电流互感器的磁芯不能复位，将导致磁芯饱和，那电流互感器将失去作用。

所以在使用时一定要注意防止电流互感器磁心饱和。

参考文献：

[1]杨宏.开关电源中的电流互感器.通信广播与电视1996年1期68~70

[2]王昭华.开关电源中电流检测电路的探讨.电源世界2005第8期.34~36

[3]陶洪山、吴燮华.电流互感器在开关电源中的应用.电源技术应用2003（8）29~32

[4]赵修科.开关电源中磁性元器件.南京航空航天大学

[5]贾玉芬.电流互感器在Buck变换器负载电流检测中的应用.电气应用2010年第211期50~52