電流互感器在開關電源中的應用

摘要：電流互感器可以用來檢測高頻開關電源中的單極性電流脈沖。分析了電流互感器構成的電流檢測電路工作過程。比較了磁芯自復位、強迫復位的特點。給出了試驗結果。

關鍵詞：電流互感器；磁芯復位；開關電源

1 引言

在高頻開關電源中，需要檢測出開關管、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用。但在Buck、Boost等單端應用場合，開關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用電路分析

根據(jù)電流互感器磁芯復位方法的不同，可有兩種電路形式：自復位與強迫復位。自復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)生的負向電壓實現(xiàn)復位，復位電壓大小與激磁電流和電流互感器開路阻抗有關。強迫復位電路在原邊直流脈沖消失期間，外加一個大的復位電壓，實現(xiàn)磁芯短時間內快速復位。

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Lm模型，Rs為取樣電阻。

當占空比D0.5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Rs產(chǎn)生負的伏秒值，實現(xiàn)自復位〔如圖1（d1）～（i1）所示〕，由于采樣電阻Rs很小，所以負向復位電壓較??；當電流脈沖占空比很大時(D>0.5)，復位時間很短，沒有足夠的復位伏秒值，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，所以自復位只能應用于電流脈沖占空比D0.5的場合。

(a)檢測電路

(b)原邊有脈沖時等效電路

(c)磁芯復位時等效電路

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im中存在直流分量Id，容易導致磁芯飽和。輸出電壓信號uR為雙極性，不便于后級電路處理。

2.2 改進的自復位電流互感器

為了實現(xiàn)輸出電壓uR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種電路結構，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)磁芯復位時等效電路

圖3 改進的電流互感器檢測電路分析