電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)方法及常見問題探討

1引言

本文主要探討了在電流檢測(cè)中常遇見的電流互感器飽和、副邊電流下垂的問題，并且介紹了電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)方法。

2電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)

電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩類：電阻檢測(cè)(resistivesensing)和電流互感器(currentsensetransformer)檢測(cè)。在電流環(huán)的控制電路中，電流放大器通常選擇較大的增益，其好處是可以選擇一個(gè)較小的電阻來獲得足夠的檢測(cè)電壓，而檢測(cè)電阻小損耗也小。但是在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，特別在設(shè)計(jì)大功率、大電流電路時(shí)采用電阻檢測(cè)的方法并不理想，因?yàn)闄z測(cè)電阻損耗大，達(dá)數(shù)瓦，甚至十幾瓦;而且很難找到幾百毫歐或幾十毫歐那么小的電阻。

電阻檢測(cè)有兩種，如圖1、圖2所示。

當(dāng)使用圖1直接檢測(cè)開關(guān)管的電流時(shí)還必須在檢測(cè)電阻RS旁并聯(lián)一個(gè)小RC濾波電路，如圖3所示。因?yàn)楫?dāng)開關(guān)管斷開時(shí)集電極電容放電，在電流檢測(cè)電阻上產(chǎn)生瞬態(tài)電流尖峰，此尖峰的脈寬和幅值常足以使電流放大器鎖定，從而使PWM電路出錯(cuò)。實(shí)際上在大功率電路中實(shí)用的是電流互感器檢測(cè)，如圖4所示。

為了使電流互感器完全地磁復(fù)位，就需要給磁芯提供大小相等方向相反的伏秒積。電流互感器將整個(gè)瞬態(tài)電流，包括直流分量耦合到副邊的檢測(cè)電阻上進(jìn)行測(cè)量，但同時(shí)也要求電流脈沖每次過零時(shí)磁芯能正常復(fù)位，尤其在平均電流模式控制中，電流互感器檢測(cè)更加適用，因?yàn)槠骄娏髂Ｊ娇刂浦斜粰z測(cè)的脈沖電流在每個(gè)開關(guān)周期中都回零。

在多數(shù)控制電路拓?fù)渲?，電流過零時(shí)占空比接近100%，所以電流過零時(shí)磁復(fù)位時(shí)間在開關(guān)周期中只占很小的比例。電流互感器檢測(cè)在保持良好波形的同時(shí)還具有較寬的帶寬，電流互感器還提供了電氣隔離，并且檢測(cè)電流小損耗也小，檢測(cè)電阻可選用稍大的值，如一二十歐的電阻。要在很短的時(shí)間內(nèi)復(fù)位磁芯，常需在電流互感器上加一個(gè)很大的反向偏壓，所以在設(shè)計(jì)電流互感器電路時(shí)應(yīng)使用高耐壓的二極管耦合在電流互感器副邊和檢測(cè)電阻之間。

解決這個(gè)問題的方法是用兩個(gè)電流互感器分別測(cè)量開關(guān)電流和二極管電流，如圖4所示實(shí)際的電感電流是這兩個(gè)電流的合成，這樣每個(gè)電流互感器就有足夠的時(shí)間來復(fù)位了。但要注意這兩個(gè)電流互感器的匝比應(yīng)一樣，以保持檢測(cè)電阻RS上的電流對(duì)稱。

3防止電流檢測(cè)電路飽和的方法

功率因數(shù)校正電路一般采用升壓電路，用雙互感器檢測(cè)，但在線電流過零時(shí)，電流互感器也特別容易飽和。因?yàn)榇藭r(shí)的占空比約為100%，從而容易造成磁芯沒有足夠的時(shí)間復(fù)位。為此可以在外電路中采取一些措施來防止電流互感器飽和。如采用電流放大器輸出箝位來限制其輸出電壓，并進(jìn)一步限制占空比小于100%，電路如圖5所示。

電流互感器檢測(cè)最適合應(yīng)用在對(duì)稱的電路，如推挽電路、全橋電路中。對(duì)于單端電路，特別是升壓電路，會(huì)產(chǎn)生一些我們必須關(guān)注的問題。因此電流互感器不能用于直接測(cè)量升壓電路的輸入電流，因?yàn)殡姼须娏鞑荒芑亓愣怪绷髦?ldquo;丟失”了;并且電流互感器因不能磁復(fù)位而飽和，從而失去過流保護(hù)功能，輸出產(chǎn)生過壓等。在降壓電路中也存在同樣的問題，電流互感器不能用于直接測(cè)量輸出電流。

如果電流互感器的磁芯不能復(fù)位，將導(dǎo)致磁芯飽和。電流互感器飽和是一個(gè)很嚴(yán)重的問題，首先是不能正確測(cè)量電流值，從而不能進(jìn)行有效的電流控制;其次使電流誤差放大器總是“認(rèn)為”電流值小于設(shè)定值，這將使電流誤差放大器過補(bǔ)償，導(dǎo)致電流波形失真。對(duì)于升壓電路，電感電流就是輸入電流，那么在電流連續(xù)工作方式時(shí)，不管充電還是放電，電感電流總是大于零，即在直流值上疊加一個(gè)充放電的波形。

對(duì)于電流檢測(cè)電路磁芯復(fù)位還要考慮的一個(gè)因素是副邊線圈的漏電感和分布電容。為了減小損耗，一般選擇匝比較大的電流互感器，但匝比大，副邊線圈的漏電感和分布電容大。并且在磁芯復(fù)位時(shí)，副邊電感和分布電容諧振，如果分布電容大，則諧振頻率低，周期長(zhǎng)，那么在占空比大、磁芯復(fù)位時(shí)間短時(shí)，副邊線圈就沒有足夠的時(shí)間來釋放能量使磁芯復(fù)位了。所以應(yīng)盡量不選擇匝比太大的電流互感器。

如果需要更好的特性或需要運(yùn)行在寬范圍，可以用圖6的電路，這個(gè)電路將根據(jù)線電壓反向調(diào)節(jié)箝位電壓。設(shè)定箝位電壓的過程很簡(jiǎn)單，在剛起動(dòng)時(shí)電流放大器箝位在一個(gè)相對(duì)較低的值(大約4V)，系統(tǒng)開始工作，但過零誤差很大;一旦系統(tǒng)正常工作后，箝位電壓將升高，電流互感器接近飽和，箝位電壓最多升到6.5V(低電壓大負(fù)載時(shí))并且電流的THD在可接受的范圍內(nèi)(<10% ) ， 以 限 制 最 大 占 空 比 。 設(shè) 定 的 箝 位 電 壓 不 能 太 低 ， 否 則 將 使 電 流 過 零 畸 變 大 。

每個(gè)電流脈沖都使磁芯復(fù)位以克服磁芯飽和的方法，除了改進(jìn)外電路還可以改進(jìn)電流檢測(cè)電路。一般利用電流檢測(cè)電路自復(fù)位，即利用磁芯中存儲(chǔ)的能量和電流互感器的開路阻抗在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生足夠的伏秒積來復(fù)位。但當(dāng)占空比大于50%，特別是接近100%時(shí)，可能沒有足夠的時(shí)間來使磁芯復(fù)位，這時(shí)除電流放大器輸出箝位外，還可以采用強(qiáng)制復(fù)位電路。漏電感影響電流上升和下降的時(shí)間，分布電容則影響電流互感器的帶寬。

強(qiáng)制磁芯復(fù)位的電路很多，如使用附加線圈或中心抽頭的線圈，但最簡(jiǎn)單的方法是采用圖7、圖8所示電路來強(qiáng)制磁芯復(fù)位。脈沖電流來時(shí)強(qiáng)制復(fù)位電路和自復(fù)位電路的工作沒有差別，當(dāng)復(fù)位時(shí)從VCC通過Rr來的電流加入磁芯復(fù)位電流，寄生電容快速充電，副邊電壓反向，伏秒積增加，磁芯復(fù)位速度加快。如果需要得到負(fù)的檢測(cè)電壓而又不想用負(fù)電壓強(qiáng)制復(fù)位時(shí)則用圖8所示電路。

4電流互感器的下垂效應(yīng)

電流互感器副邊的脈沖電流要減去電流互感器繞組上的脈沖電壓在副邊產(chǎn)生的一個(gè)從零開始隨時(shí)間線性增長(zhǎng)的磁化電流，才等于檢測(cè)電阻上的電流，該磁化電流的大小為：

(1)式中：US&mdash;—副邊電壓;LS——副邊電感;n——Ns/Np;Δt—&mdash;電流波脈寬

如式(1)所示，副邊電感值越大，下垂效應(yīng)越小;匝比越小，下垂效應(yīng)也越小，但最好不要靠減少副邊的匝數(shù)來減小匝比，因?yàn)檫@將使副邊的電感減小了，應(yīng)在空間允許的情況下增加原邊匝數(shù)來減小匝比。所以為了得到較大的副邊檢測(cè)電壓不應(yīng)完全靠增加檢測(cè)電阻Rs的值來實(shí)現(xiàn)，也要靠減小副邊下垂效應(yīng)來增加副邊的脈沖電流，同時(shí)Rs的值大也將使磁芯復(fù)位困難。剛開始時(shí)副邊電流是原邊電流的n倍，但隨時(shí)間增加，磁化電流加大，副邊電流下降得很厲害，這就是電流互感器的下垂效應(yīng)。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在功率因數(shù)校正電路中，使用如圖4所示的檢測(cè)電路，并采用如上所述防磁芯飽和及減小下垂效應(yīng)的措施，在電流互感器的變比為1∶50，副邊電感為30mH,取副邊電壓為2V,電流波脈寬為5μs時(shí),得：

相對(duì)于十多安培的檢測(cè)電流，該電流下降效應(yīng)并不明顯。

6結(jié)語

為了減少損耗，常采用電流互感器檢測(cè)。在電流控制中電流檢測(cè)起著重要的作用。在電流互感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)中，綜合考慮電流互感器的飽和問題和副邊電流的下垂效應(yīng)，以選擇合適的磁芯復(fù)位電路、匝比和檢測(cè)電阻。