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生的負向電壓實現復位，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產生負的伏秒值，實現自復位〔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