开关电源中电流互感器设计Word格式文档下载.docx

1、 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。

2、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（）；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

3、（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

4、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。 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或允许的相位误差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

5、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，选择尽量高的材料。如果要求检测相位误差极小，低频时应选择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=1%时，相位误差可达8（约为0.14 弧度），可选择较小的磁芯。2.2脉冲直流

6、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）

7、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

8、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后，就可以设计互感器。对于比例驱动互感器，一般已

9、知晶体管的工作电流下的，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MOSFET VT1、VT2在SG3525的控制下，分别在各自的相位角180内交替导通，斩波

10、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68702 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.34363 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）29324 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5052