重庆大学电气工程学院课程设计.

课程设计论文

电容电流非侵入式采样法的分析与设计

姓名：

指导教师：

学号：

学院：电气工程学院

班级：

2015年1月

摘要

本文介绍了一些常规的电流的采样方法，通过对电路原理、运算放大器、电容、电流采样和Buck电路相关知识的学习，针对常规电流采样法的不足，引出了非侵入式电容电流采样法，通过构建匹配网络测量电容电流。学习并使用频响分析仪（Venable）测量电容寄生参数，计算匹配网络参数，制作匹配网络电路板，并接入Buck主电路通过示波器观察电容电流与匹配网络电流的波形，重点探讨该方法在低频时的可行性，给出实验得到的具体波形，同时对其在高频工作状态时出现的问题加以简单的分析。

关键字：电容电流，采样，非侵入式

摘 要............................................................................................................................. I

1 引言 (1)

1.1 电容电流的作用 (1)

1.2 电流采样的常见方法 (1)

1.2.1 串联电阻 (1)

1.2.2 串联电流互感器 (1)

1.3 常见电流采样方式应用于采样电容电流时存在的缺陷 (2)

2 非侵入式电容电流采样原理 (3)

2.1 设计原理 (3)

2.2 构建电路的参数计算 (4)

3 构建匹配网络 (6)

3.1 频率、运放增益等参数的确定 (6)

3.2 电容out C 与匹配电容s C 的选取与寄生参数的测定 (6)

3.3 检验构建电路的匹配情况 (8)

4 构建网络的电流采集 (9)

4.1 Buck 电路简介 (9)

4.1.1 Buck 电路基本结构 (9)

(9)

4.1.2等效的电路模型及基本规律 (9)

4.2 电流采集 (9)

4.3 高频情况 (10)

5 结论及总结 (14)

参 考 文 献 (15)

1 引言

1.1 电容电流的作用

众所周知，电容在电力系统中是提高功率因数的重要器件，在电子电路中是获得振荡、滤波、相移、旁路、耦合等作用的主要元件。此外，电容电流采样与控制也是提高开关功率变换器系统动态响应的重要途径。为此，本文拟探讨电容电流的一类新型的非侵入式采样方式，并结合具体电路进行分析与设计。

1.2 电流采样的常见方法

1.2.1 串联电阻

如图1所示，在电容支路中串联一个定值电阻。由于电阻R 与电容C 是串联关系，在此支路两端加交流电压，流过C 的电流与流过R 的电流应该相等。同时电阻R 的电压电流呈线性关系，所以可以通过测R 两端的电压来得到电容电流的波形，电容电流的数值可通过欧姆定律计算。

C R -

v i +

-v o +

图1 RC 串联电路 1.2.2 串联电流互感器

电流互感器的模型如图2所示。电流互感器的作用是可以把数值较大的一次

电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。

图2 电流互感器

1.3 常见电流采样方式应用于采样电容电流时存在的缺陷

串联电阻的测量方法原理及电路实现简单，但该方式存有缺陷：采样电阻和测量电阻电压的工具（如示波器等），并且它们的参数都不会是理想的，因此引入电容支路后会对原有的电容电流输出有一定的影响，纹波增大，同时其具体参数难以知晓，无法进行准确的修正。

电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作,变压器变换的是电压而电流互感器变换的是电流，这就意味着电能通过一次绕组和二次绕组后一定存在衰减，从而使得结果不准确。如果频率较高时，会对输出影响很大。而且其体积很大，不易使用。

综上，本文引入一个新的电容电流采样方法，即非侵入式电容电流采样。

2 非侵入式电容电流采样原理

2.1 设计原理

实际电容的电流模型可以等效为一个RCL 串联电路的模型（图3）

图3 RCL 等效电路

ESR 和ESL 分别是其寄生电阻和寄生电感，等效RCL 电路的总阻抗为cout Z 。如果可以构建另一个RCL 电路，使其阻抗s Z 为cout Z 的n 倍（n 尽可能大），并且同相位，那么其电流n I I Cout s /=，要做到同相并且阻抗成倍，需满足：

s C o u t Z Z n =⋅ （1）

s eq cout C R C ESR ⋅=⋅ （2） s s out C L C ESL ⋅=⋅ （3） 等式(1)保证构建的RCL 电路阻抗为电容阻抗的n 倍，等式(2)(3)保证原电容电流和构建的RCL 电路电流同相位。

这样就可以通过对构建的RCL 电路电流采样来得到原电容电流。由于构建的RCL 电路与电容电路是并联关系（非侵入式），且其阻抗相对于电容非常大，因此对原电容电路的影响很小。图4为理想状态下的电流关系图。

图4理想状态下的电流关系 2.2 构建电路的参数计算

实际构建的RCL 电流采集电路的基础是一个运算放大器，如图5所示

图5 实际的RCL 电路

运算放大器的开环增益为DC A ，带宽为B ∆，如图6。所以其输出比为:

Cout s c I V n R K ∆∆=-=1 (4)

运算放大器的对外阻抗特性表现为一个电阻（i R ）和一个电感（i L ）的串联，如图7所示。

图7 运放的对外特性

同相

电流成比例