开关电源中电流互感器设计

开关电源中电流互感器设计

摘要：开关电源的总体发展趋势是开关工作频率越来越高，从而对电流检测的实时性也要求越来越高，而且成本很备受关注。电流互感器具有能耗小、频带宽、信号还原性好、价格便宜、控制和主功率电路隔离等诸多优点，故电流互感器在开关电源中作用很大。本文介绍了开关电源中电流互感器的设计及注意事项。

关键词：电流互感器；开关电源；应用电路

1.引言

传统的电流检测技术主要分为基于磁场的检测方案和基于分流器的检测方案，以电流互感器(图1)和霍尔传感器(图2)为代表的基于磁场的检测方案由于具有良好的隔离和较低的功率损耗等优点已经广泛地采用。

图1电流互感器

电流互感器采用变压器电磁隔离原理，一般原边具有较少的匝数N1，副边具有较多的匝数N2。互感器原边接被测电流工，副边则为检测后的输出电流工_OUT，然后通过电阻R将电流转换为电压信号，通过磁感应方式实现了原、副边的电气隔离。

图2 霍尔传感器

目前一般将霍尔元件、聚磁电路以及放大电路集成在一起，作为霍尔传感器使用，可以实现直流、交流电流的隔离检测，不存在低频响应带宽问题。但霍尔元件以及放大电路存在温度飘移，存在频率响应上限，一般为数十或数百kHZ ，

同时成本也比较高，限制了在开关电源中的应用。

图3 线性光耦

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

1122

i N i N H l

-= （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：

'

222

1

N I I N =

（2-2）

因此初级电流有效值为：

12m

I I I =+

（2-3）

式中m I

－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0m I =

,则

12

I I =

（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2I

，次级感应电势为 222

e ()4.44

cu I R R fBAN =+=

（2-5）

式中

cu

R —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（2

m ）； 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

'

1

a r c t a n

R

L θω= （2-6）

式中

'

2

2

12

()/cu R R R N N =+

—次级反射到初级的阻抗；

而初级激磁电感

2

110a

A L N l

μμ= （2-7）

式中

a

μ－磁芯的幅值磁导率；

考虑到2

2

2211

/L N L N =和

'22

12

()/cu R R R N N =+，则

2

()

arctan

cu R R L θω+= （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)

111

cos 1cos I I I θ

γθ

-=

=- （2-9）

cos θ

展开成级数，在θ很小的时候，忽略高次项，有

2

4

6

2

c o s 1....

1

2!

4!

6!

2!θ

θ

θ

θ

θ=

-

+

-

≈-

因此，

2

1c o s 2

θ

γθ=-=

（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()f ω，检测的电流－初级电

流1I

，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cu

R ,

在次级激磁电抗远远大于检测电阻时,式(2-8)可近似写为

2

R

L θω≈