常用的電流互感器檢測(cè)電路分析

　　在高頻開關(guān)電源中，需要檢測(cè)出開關(guān)管、電感等元器件的電流提供給控制、保護(hù)電路使用。電流檢測(cè)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(hào)，信號(hào)還原性好，但有μs級(jí)的延遲，并且價(jià)格比較貴；采用電阻取樣價(jià)格非常便宜，信號(hào)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(hào)還原性好、價(jià)格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優(yōu)點(diǎn)。在Push-Pull、Bridge等雙端變換器中，功率變壓器原邊流過(guò)正負(fù)對(duì)稱的雙極性電流脈沖，沒(méi)有直流分量，電流互感器可以得到很好的應(yīng)用。但在Buck、Boost等單端應(yīng)用場(chǎng)合，開關(guān)器件中流過(guò)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(hào)中反映出來(lái)，還有可能造成電流互感器磁芯單向飽和；為此需要對(duì)電流互感器構(gòu)成的檢測(cè)電路進(jìn)行一些改進(jìn)。

　　2 電流互感器檢測(cè)單極性電流脈沖的應(yīng)用電路分析根據(jù)電流互感器磁芯復(fù)位方法的不同，可有兩種電路形式：自復(fù)位與強(qiáng)迫復(fù)位。自復(fù)位在電流互感器原邊電流脈沖消失后，利用激磁電流通過(guò)電流互感器副邊的開路阻抗產(chǎn)生的負(fù)向電壓實(shí)現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位電壓大小與激磁電流和電流互感器開路阻抗有關(guān)。強(qiáng)迫復(fù)位電路在原邊直流脈沖消失期間，外加一個(gè)大的復(fù)位電壓，實(shí)現(xiàn)磁芯短時(shí)間內(nèi)快速?gòu)?fù)位。

　　2.1 電流互感器檢測(cè)電路

　　常用的電流互感器檢測(cè)電路如圖1（a）所示。 圖1（b）表示原邊有電流脈沖時(shí)的等效電路，電流互感器簡(jiǎn)化為理想變壓器與勵(lì)磁電感m模型，s為取樣電阻。

　　當(dāng)占空比《0.5時(shí)，在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯依靠勵(lì)磁電流流過(guò)采樣電阻s產(chǎn)生負(fù)的伏秒值，實(shí)現(xiàn)自復(fù)位〔如圖1（d1）～（i1）所示〕，由于采樣電阻s很小，所以負(fù)向復(fù)位電壓較??；當(dāng)電流脈沖占空比很大時(shí)（》0.5），復(fù)位時(shí)間很短，沒(méi)有足夠的復(fù)位伏秒值，使得磁芯中直流分量d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(cè)的作用，所以自復(fù)位只能應(yīng)用于電流脈沖占空比《0.5的場(chǎng)合。

　　（a）檢測(cè)電路 （b）原邊有脈沖時(shí)等效電路 （c）磁芯復(fù)位時(shí)等效電路

　　圖1 常用的電流互感器檢測(cè)電路分析

　　可以看出，此電路對(duì)于檢測(cè)單極性直流脈沖存在諸多缺點(diǎn)。勵(lì)磁電感電流m中存在直流分量d，容易導(dǎo)致磁芯飽和。輸出電壓信號(hào)R為雙極性，不便于后級(jí)電路處理。

　　2.2 改進(jìn)的自復(fù)位電流互感器

　　為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓R的單極性輸出，在電流互感器端加上一個(gè)二極管，根據(jù)原邊輸入電流1與輸出電壓R的相位的不同、信號(hào)地位置的不同，可有4種電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

　　圖2 改進(jìn)的電流互感器檢測(cè)電路

　　對(duì)圖2（c）的電路工作過(guò)程進(jìn)行分析，電路在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的工作波形如圖3所示。

　?。╝）檢測(cè)電路 （b）原邊有脈沖時(shí)等效電路

　　磁芯復(fù)位時(shí)等效電路 圖3 改進(jìn)的電流互感器檢測(cè)電路分析

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

　　在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯的復(fù)位依靠勵(lì)磁電流在m、T、D中諧振產(chǎn)生負(fù)的復(fù)位電壓值，實(shí)現(xiàn)自復(fù)位，如圖3（g）所示。m、T構(gòu)成的諧振電路特征阻抗遠(yuǎn)大于s，所以復(fù)位效果好于圖1電路。但是，諧振產(chǎn)生的復(fù)位電壓并不是很大，當(dāng)脈沖占空比很大時(shí)，復(fù)位時(shí)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(yīng)用于電流脈沖占空比《0.5的場(chǎng)合。

　　由于互感器副邊線圈匝數(shù)很多，分布電容大，諧振電流主要從電流互感器流過(guò)；流經(jīng)s、D支路的電流很小，并且s很小，所以復(fù)位電流經(jīng)D支路的諧振電流在s上產(chǎn)生的負(fù)向電壓可以忽略，取樣輸出電壓R波形如圖3（h）所示。因?yàn)槎O管的作用，輸出電壓信號(hào)R為單極性，其幅值與原邊電流信號(hào)脈動(dòng)量成正比，便于后級(jí)電路處理。