電流互感器在開關電源中的應用

圖3(c)表示電流互感器磁芯復位時的等效電路，CT為電流互感器副邊分布電容，CD為二極管結電容。圖3(d)～(i)繪出了占空比小時，磁芯充分復位的各參數波形。

在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯的復位依靠勵磁電流在Lm、CT、CD中諧振產生負的復位電壓值，實現自復位，如圖3(g)所示。Lm、CT構成的諧振電路特征阻抗遠大于Rs，所以復位效果好于圖1電路。但是，諧振產生的復位電壓并不是很大，當脈沖占空比很大時，復位時間很短，仍有可能造成磁芯逐漸正向偏磁飽和，所以也只能應用于電流脈沖占空比D0.5的場合。

由于互感器副邊線圈匝數很多，分布電容大，諧振電流主要從電流互感器流過；流經Rs、CD支路的電流很小，并且Rs很小，所以復位電流經CD支路的諧振電流在Rs上產生的負向電壓可以忽略，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量成正比，便于后級電路處理。

2.3 強迫復位

在單端應用中，特別是Boost電路中，需要精確地再現高占空比的單極性脈沖。自復位不能實現檢測高占空比電流脈沖，必須對磁芯進行強迫復位。強迫復位的電路很多，這里分析一種最簡單易行的強迫復位電路。如圖4所示，分別對應于圖2中的4種電路。

對圖4(c)的電路工作過程進行分析。圖5(b)表示原邊有電流脈沖時的等效電路，由于二極管的隔離作用，復位電壓＋Vr對電流的檢測沒有影響。圖5(c)表示磁芯復位時的等效電路。電路在一個脈沖周期內的工作波形如圖5(d)～(i)所示，0～t1時間內原邊有直流脈沖，t1～t2時間為磁芯復位過程，t2～T為復位完畢后波形。

圖4強迫復位的電流互感器檢測電路

(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

(j)復 位 電 壓 對 采 樣 影 響

圖5 強迫復位的電流互感器檢測電路分析

在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯開始復位，二極管反向阻斷，復位電壓Vr加在勵磁電感上，強迫磁芯快速復位。圖5(g)繪出了激磁電感上的電壓，由于復位電壓遠大于磁芯的正向電壓，所以磁芯能夠在很短的時間內充分復位，可以應用于檢測電流脈沖占空比D>0.9的場合。

圖5(j)表示復位電壓Vr給檢測信號帶來的誤差。磁芯復位完畢后，電流互感器副邊相當于一根導線，Vr在取樣電阻上有一個分壓，從而引起誤差，大小為

VR(error)=·Vr（1）

由于Rr遠大于Rs，所以VR(error)很小，可以忽略其影響。在t2～T時間內，磁芯中還會有一個很小的直流分量為

im=－（2）

由于Rr很大，其影響也可以忽略。

2.4 多個電流互感器的組合使用

多個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。例如，常用的由Boost電路構成的單相PFC電路，工作于CCM狀態，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，又有高頻脈動電流，為此，可以用電流互感器分別檢出開關管、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，所以磁芯需要強迫復位。

圖6 電流互感器組合使用合成電感電流

3 電流互感器的設計方法

根據原邊電流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率大的鐵氧體材料，大小根據磁路有效面積確定。可按式（3）選擇

Ae= （3）

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；

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根據副邊最大電壓Um、電流IR求出，Rr取值要遠大于Rs，可以是Rs的50～100倍，具體大小可根據實驗結果調整。

4 實驗結果

1）在Boost電路中采用自復位電流互感器檢測 開 關 管 電 流 ， 提 供 給 控 制 電 路 電 流 反 饋 環 。 磁 芯 選 用 錳 鋅 鐵 氧 體 ， 磁 路 有 效 截 面 積0.25mm2， 變 比 100， 采 樣 電 阻 3.9 Ω 。 開 關 頻 率 20 kHz， 電 流 互 感 器 原 邊 電 流 峰 值 3.6 A， 最 大 占 空 比 0.45。 實 驗 波 形 如 圖 7所 示 。

(a) 副 邊 電 壓um波 形