电流互感器在开关电源中的应用

路在一个脉冲周期内的工作波形如图5(d)～(i)所示，0～t1时间内原边有直流脉冲，t1～t2时间为磁芯复位过程，t2～T为复位完毕后波形。

图4强迫复位的电流互感器检测电路

(a)检测电路

(b)原边有脉冲时等效电路

(c)磁芯复位时等效电路

(j)复 位 电 压 对 采 样 影 响

图5 强迫复位的电流互感器检测电路分析

在电流互感器原边电流脉冲消失后，磁芯开始复位，二极管反向阻断，复位电压Vr加在励磁电感上，强迫磁芯快速复位。图5(g)绘出了激磁电感上的电压，由于复位电压远大于磁芯的正向电压，所以磁芯能够在很短的时间内充分复位，可以应用于检测电流脉冲占空比D>0.9的场合。

图5(j)表示复位电压Vr给检测信号带来的误差。磁芯复位完毕后，电流互感器副边相当于一根导线，Vr在取样电阻上有一个分压，从而引起误差，大小为

VR(error)=·Vr（1）

由于Rr远大于Rs，所以VR(error)很小，可以忽略其影响。在t2～T时间内，磁芯中还会有一个很小的直流分量为

im=－（2）

由于Rr很大，其影响也可以忽略。

2.4 多个电流互感器的组合使用

多个电流互感器可以组合起来，用于检测含有低频分量的单极性高频直流脉动。例如，常用的由Boost电路构成的单相PFC电路，工作于CCM状态，需要检出电感电流提供控制电路使用。电感电流中既含用工频正弦电流，又有高频脉动电流，为此，可以用电流互感器分别检出开关管、二极管中的单极性电流脉冲，再叠加起来，即为电感电流。检测电路如图6所示，占空比有可能超过0.5，所以磁芯需要强迫复位。

图6 电流互感器组合使用合成电感电流

3 电流互感器的设计方法

根据原边电流i1大小、副边输出电压Um的要求确定电流互感器变比n；磁芯可选用初始磁导率大的铁氧体材料，大小根据磁路有效面积确定。可按式（3）选择

Ae= （3）

式中：Ae为磁路有效截面积；

Um为电流互感器副边输出最大电压；

N为副边线圈匝数；

B为磁芯最大工作磁通，一般取为饱和磁通的1/2～1/3；

fs为原边脉冲电流频率。

Rs根据副边最大电压Um、电流IR求出，Rr取值要远大于Rs，可以是Rs的50～100倍，具体大小可根据实验结果调整。

4 实验结果

1）在Boost电路中采用自复位电流互感器检测 开 关 管 电 流 ， 提 供 给 控 制 电 路 电 流 反 馈 环 。 磁 芯 选 用 锰 锌 铁 氧 体 ， 磁 路 有 效 截 面 积0.25mm2， 变 比 100， 采 样 电 阻 3.9 Ω 。 开 关 频 率 20 kHz， 电 流 互 感 器 原 边 电 流 峰 值 3.6 A， 最 大 占 空 比 0.45。 实 验 波 形 如 图 7所 示 。

(a) 副 边 电 压um波 形

(b) 采 样 电 阻 电 压uR波 形

图7 实 验 波 形

2）在双极性SPWM逆变电路中，直流母线流过正负不对称的双极性电流脉冲，采用强迫复位电流互感器检测出来，提供给的过流、直通保护电路。磁芯选用锰锌铁氧体，磁芯截面积0.35mm2，变比100，采样电阻16Ω。开关频率20kHz，逆变输出正弦波频率50Hz，电流互感器原边电流峰值为3A，最大占空比0.95。一个开关周期内及一个工频周期内的实验波形分别如图8及图9所示。

(a) 副 边 电 压um波 形

(b) 采 样 电 阻 电 压uR波 形

图8 一 个 开 关 周 期 内 波 形

(a) 副 边 电 压um波 形

(b) 采 样 电 阻 电 压uR波 形

图 9 一 个 工 频 周 期 内 波 形

5 结语

本文分析了自复位、强迫复位电流互感器检测单极性直流脉冲时的工作过程，绘出了电路在一个脉冲周期内的波形，比较了各种电路磁芯复位的的特点，简单的介绍了电流互感器的设计方法。试验结果验证了分析的正确性。