开关电源中电流互感器设计Word格式文档下载.docx
- 文档编号:18108112
- 上传时间:2022-12-13
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:228.81KB
开关电源中电流互感器设计Word格式文档下载.docx
《开关电源中电流互感器设计Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《开关电源中电流互感器设计Word格式文档下载.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
应用线性光耦组成的电流检测隔离电路(图3)的线性度好,电路简单,能够检测直流电流,有效地解决了模拟信号与采样控制系统的电气隔离问题,而且精度高、成本低。
但是线性光耦的一个显著缺点就是电流检测的延时,因为线性光耦的带宽一般在数十kHZ以下,延时在数微秒以上。
随着开关电源的发展,开关频率越来越高,这个问题也越来越突出。
2.电流互感器设计方法
2.1交流互感器
2.1.1基本原理
交流互感器一般采用环形磁芯,初级线圈N1一匝或数匝,而次级N2匝数较多。
为便于测量,次级通常接有检测电阻R,将电流信号变换成电压信号,如图9-1所示。
假设初级流过正弦波交流电流I1时,次级感应电压产生一个输出电流I2。
根据回路安培定律有
(2-1)
式中H-磁芯中磁场强度;
l-磁芯平均磁路长度;
i1和i2为初级和次级瞬时电流。
次级反射到初级的电流有效值I2’为:
(2-2)
因此初级电流有效值为:
(2-3)
式中
-磁化电流。
等效电路和电流关系如图9-2所示。
理想情况下互感器的激磁电感无穷大,激磁电流
则
(2-4)
图4交流电流互感器
实际激磁电感不可能无穷大,总是存在激磁电流。
为了维持
,次级感应电势为
(2-5)
—次级线圈电阻(Ω);
f—电流频率(Hz);
B—磁芯工作峰值磁感应强度(T);
A—磁芯截面积(
);
B—R-检测电阻。
图5电流互感器等效电路(a)和相量图(b)
由相量图可知,次级反射电流与初级电流的相位差
(2-6)
—次级反射到初级的阻抗;
而初级激磁电感
(2-7)
-磁芯的幅值磁导率;
考虑到
和
,则
(2-8)
因此,次级检测电流与初级电流的幅值相对误差(检测幅值精度)
(2-9)
展开成级数,在
很小的时候,忽略高次项,有
因此,
(2-9a)
从式(2-8),(2-9)可知,要减少幅值和相位误差,在一定的频率下,应当减少检测电阻或增加次级激磁电感L2。
在给定次级检测电压u2的情况下,减少检测电阻R,次级电流I2将反比增加,次级匝数减少,将导致L2的平方减少,检测误差加大。
因此,为了减少检测误差,增加次级激磁电感是提高检测精度的唯一的方法。
2.2交流电流互感器设计
交流互感器设计前应当知道互感器的工作频率
,检测的电流-初级电流
,次级所需电压U2(有效值)和检测精度γ。
互感器设计原则是要保证电流检测精度。
初始设计时可不考虑线圈电阻
在次级激磁电抗远远大于检测电阻时,式(2-8)可近似写为
以及
,可以得到
(2-10)
—磁芯电感常数。
一般初级线圈N1=1,考虑到式(2-9a),因此
(2-10a)
根据给定允许的幅值误差γ或允许的相位误差δ选择磁芯尺寸和次级线圈匝数。
选取较多的次级匝数对提高测量精度是有益的。
但是次级匝数过多,一方面绕线困难,另一方面导线长度增长,线圈电阻增加,又降低了检测精度,一般N2在500匝以下。
根据工作频率选择磁芯材料,例如50Hz选用钢片厚0.35mm环形磁芯,400Hz选用0.1mm高硅薄带环形磁芯;
高于10kHz选用非晶态或铁氧体材料等等,选择尽量高的μ材料。
如果要求检测相位误差极小,低频时应选择μ极高的皮莫合金或非晶态磁芯。
还应当注意,这里
为幅值相对磁导率,在手册中没有列出。
在低磁感应强度时一般和初始磁导率
相近,初始设计时,可用
代替
。
在选定
后,由式(2-10a)求得
值。
低频时硅钢片或非晶态材料手册中并未给出
值,可根据手册中环形磁芯结构参数计算:
(2-11)
—有效磁路长度(m);
—磁芯有效截面积(
)。
已知N2后,就可决定次级检测电阻
(2-12)
如果只关心幅值检测精度,幅值为γ=1%时,相位误差θ可达8º
(约为0.14弧度),可选择较小的磁芯。
2.2脉冲直流互感器
如电流控制型变换器开关电源电中,需要检测电感电流或功率晶体管集电极电流的互感器(图6(a))以及双极型晶体管比例驱动电路(图6(b))用来检测集电极电流的反馈互感器,都是直流脉冲互感器。
2.2.1基本原理
脉冲直流互感器与交流电流互感器不同,交流信号使磁芯双向对称磁化,而直流而脉冲互感器是单向磁化,属于正激变换器工作方式(图6)。
如果采用环形磁芯,当初级电流流通(Ton)时,磁芯由剩磁感应增大;
当初级电流由通流变为零时,次级感应电势将二极管击穿,使磁芯复位到剩磁感应Br。
磁芯工作在局部磁化曲线上。
以矩形波初级电流为例,图7为相关波形图。
也可以在次级二极管前用一个大电阻完成磁芯复位,如图6(b)中R,为了复位,如果次级电感为L2,应当满足最小截止时间
如前所述,互感器是一种特殊的变压器。
根据变压器原理,磁芯的正负伏秒面积相等,即
(2-13)
—次级感应电势,等于二极管压降与次级电流
在次级回路电阻上的压降总和;
—直流脉冲宽度;
—二极管击穿电压;
—复位时间。
通常初级线圈为一匝,根据全电流定律,在导通期间有:
图6直流脉冲电流互感器
(2-14)
—磁化电流。
如果磁芯磁导率为无穷大,磁化电流为零,则次级电流
(2-15)
则次级检测电阻R上的电压
正比于输入电流
2.2.2直流脉冲互感器的设计
直流脉冲互感器设计与交流互感器设计相似。
次级感应电势
(2-16)
如果初级电流波形为矩形波(图7),或次级负载是几个二极管的正向压降,而线圈电阻可以忽略时,次级感应电势近似为电压源。
因此有
(2-17)
如果磁芯增量磁导率
为常数,并考虑到
,互感器激磁电流
(2-18)
图7直流脉冲互感器波形
如
上式改成
(2-18a)
分别为磁芯的有效磁路长度和有效截面积;
为增量磁导率,一般比初始磁导率低。
—为磁芯的电感系数。
从波形图可以看到,磁化电流随导通时间加长而增加,在导通时间结束时达到最大。
由式(2-14)可知,次级电流由于初级激磁电流增加而产生平顶降落,即波形失真,也就是检测误差。
如果定义幅值误差为
(2-19)
得到
(2-19a)
在给定次级电压和允许平顶降落γ后,就可以设计互感器。
对于比例驱动互感器,一般已知晶体管的工作电流下的β,为保证初始激励下进入比例驱动,当初级一般为1匝时,应满足
次级电压为串联二极管正向压降之和。
因此
(2-20)
通常采用环形磁芯,互感器磁芯工作在局部磁化曲线上,不能应用矩形回线材料,应当选用剩磁感应小,而磁导率大的材料。
3.电流互感器检测电路
将电流互感器应用在Buck变换器中来检测负载直流电流。
不仅可以保证Buck变换器构成的开关电源负载电流取样的准确度,而且保证了功率开关器件过电流保护的及时性,同时提高了功率MOSFET的散热特性。
图8、电流互感器应用于Buck变换器
功率MOSFETVT1、VT2在SG3525的控制下,分别在各自的相位角180º
内交替导通,斩波电压经VD1续流,L1与C1储能滤波后输出所需直流电压。
MOSFET电流互感器T2的一次绕组为两个单线圈,分别检测VT1、VT2的电流,VT1的电流正向通过绕组,VT2的电流反向通过绕组,因此可以在电流互感器的二次侧感应出正负相间的脉冲电流信号,R5两端的脉冲电压的绝对值与通过功率MOSFET的电流成正比。
开关电源的电流取样一般分为峰值取样和平均值取样两种。
电流检测的用途不同,取样最佳方式也不同。
若作为过电流保护信号,电流峰值取样较好,它反应速度快、能及时保护功率开关管等器件图4中R5两端的电压信号可以用作电流峰值取样信号,整流后加一只电压比较器就可以构成过电流保护电路。
如果电流互感器的磁芯不能复位,将导致磁芯饱和,那电流互感器将失去作用。
所以在使用时一定要注意防止电流互感器磁心饱和。
参考文献:
[1]杨宏.开关电源中的电流互感器.通信广播与电视1996年1期68~70
[2]王昭华.开关电源中电流检测电路的探讨.电源世界2005第8期.34~36
[3]陶洪山、吴燮华.电流互感器在开关电源中的应用.电源技术应用2003(8)29~32
[4]赵修科.开关电源中磁性元器件.南京航空航天大学
[5]贾玉芬.电流互感器在Buck变换器负载电流检测中的应用.电气应用2010年第211期50~52
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 开关电源 电流 互感器 设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)