CN1355543A - 用于脉冲电流检测的电流互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了开关电源技术领域里检测脉冲电流的一种装置。它由一个磁环、几个初级绕组、次级绕组、整流二极管和负载电阻构成。其优点是可以将原来的几个互感器简化成一个体积更小的互感器。
Description
本发明属于电力电子技术领域，确切地说，是开关电源中应用的电流互感器的改进。
电流的检测一般有电阻、霍尔元件和互感器三种方法。功率不太大时使用电阻是最简单而又经济方法。大功率时，常使用霍尔元件和互感器。霍尔元件的优点是它既可以应用于交流电路也可以用于直流电路，同时还能提供电气隔离；缺点是需要单供电源，电路稍复杂，而且成本较高。互感器采用一种电压型互感器的型式，这是一种电流/电压转换装置，即被测电流从互感器的初级输入，次级电流在互感器的电阻负载上转换成电压。互感器是个廉价简单的方法，但这种方法一般只适用于纯交流电路。
电容滤波整流器具有尖峰状的电流波形，因而对电网的污染很严重；它的功率因数低，一般只有0.65左右，使得电网的利用率很低。为改进这种状况，高功率因数的整流器(PFC)已经出现，其中以BOOST型PFC电路最为普遍。附图1是典型的PFC电路原理图，其基本原理是通过随时将电感L中的电流与输入电压波形相比较，由比较结果来控制开关K的通断，从而强迫电感电流跟随输入电压的变化，于是输入电流基本保持与输入电压同样的正弦形状，达到功率因数基本为1的理想状态。因为电感L中流过的是单向的锯齿状半波正弦电流(附图2)，其中的直流成分相当大，因而互感器不能直接接在电感回路中，否则很容易饱和。由于电感器电流IL＝ID(二极管电流)+IK(开关电流)，因而可以采用两个互感器分别采集ID和IK，再将它们合成。美国UNITRODE公司出版的Product & Applications Handbook(95～96)中的DN-39E一文详细叙述了这种技术，附图3是其原理。互感器B1和B2分别采集断续的开关K中的电流IK和二极管D中的电流ID，其中的直流成分有所减小，而交流成分大大增加，所以可以使用较小的磁环；两个互感器次级B1-2和B2-2输出的信号在电阻RS上合成。但由于互感器中还有较大的直流成分，因而仍需考虑磁环的磁通复位问题。
在Buck型降压开关拓扑电路和Buck-Boost升降压开关拓扑电路中(附图4)，要检测电感L中的电流，也可以用两个互感器采集开关K和二极管D中的电流、然后再合成的方法，但也存在着类似的磁通复位问题。
在开关电源功率变压器次级的全波整流电路中，滤波电感电流也可以使用双互感器检测，科学出版社1999年出版的《脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术》(阮新波等编著)也详细介绍了这种技术，附图5是其原理。互感器B3检测二极管D01中的电流，互感器B4检测二极管D02中的电流，两个互感器次级输出的信号在电阻RS上合成。但这种方法的磁通复位问题可能更严重：因为电源变换器大多是降压电路，次级电流较大，需要更大的磁环才行。
以上几种电路中的电流检测的共同之处是，用几个互感器分别检测在时间上有电流交替流通的几个支路中的电流，再在这几个互感器的次级将信号合成。
本发明的目的是提供一种只需使用一个磁芯、并且体积更小的、用于检测开关电源中脉冲电流的电流采样装置——亚宁互感器。
本发明的指导思想是，将原来在互感器次级合成信号的方法改为在初级合成，其根据是因为几个待检测的外电路中的电流在时间上是交替发生，因而可以将几个互感器合并为一个互感器。
本发明提供的互感器T是在同一个磁芯(一般常采用磁环)上有几个初级绕组T-1、T-2、T-3，它们分别串接到外电路的在时间上交替有电流流动几个支路中。串接方法为：第一个初级绕组T-1串接到第一个电流I1支路中，并且让电流从绕组的同名端流入，在绕组的有“·”标识的一端表示同名端，另一端表示异名端；第二个初级绕组T-2串接到第二个电流I2支路中，并且让电流从绕组的异名端流入；第三个初级绕组T-3串接到第三个电流I3支路中，并且让电流从绕组的同名端流入；依此类推，电流交替从同名端和异名端流入。
本发明提供的互感器T的次级同普通的电流互感器没什么两样，可以是两个绕组的全波整流电路，也可以是一个绕组的桥式整流电路。
在电感L1、二极管D1和三极管K1做星型连接的三种开关拓扑电路(Boost、Buck、Buck-Boost)中，初级绕组T1-1串接到开关K1的支路里，绕组的同名端与开关K1相连，初级绕组T1-2串接到二极管D1的支路里，绕组的异名端和二极管D1相连接，T1-1的异名端、T1-2的同名端与电感L1的一端三者星接在一起。(图7所示)
显然，在这三种开关拓扑电路里电感L1电流的检测中，绕组T1-2和二极管D1的位置、绕组T1-1和开关管K1的位置都可以顺序交换。
在开关电源功率变压器B2次级的全波整流电路中，当变压器B2初级的信号消失、不再向次级提供能量时，由于滤波电感L2中的电流不能中断，电感电流要通过两个二极管D21和D22续流，两个二极管同时导通。如果简单地将互感器的两个初级绕组T2-1和T2-2串接到二极管D21和D22支路中，那么在续流期间，互感器的两个初级绕组T2-1和T2-2产生的磁通将相互抵消，在互感器的次级无法得到完整的电感电流检测波形。为了检测到完整的电感电流信号，需要在全波整流电路的次级设置单独的二极管D23作为续流通路，并将三个初级绕组T2-1、T2-2和T2-3分别串接到整流二极管D21、D22和续流二极管D23支路中去(图9所示)。T2-1的同名端与整流二极管D21的负极相连，T2-2的异名端与整流二极管D22的负极相连，T2-3的同名端与续流二极管D23的负极相连，T2-1的异名端、T2-2的同名端、T2-3的异名端与滤波电感L2的左端这四者相星连。
实际上，在连接互感器T2的几个初级绕组时，关于同名端的处理，只要几个二极管的电流不都是从初级绕组流进或流出就可以了。
显然，在开关电源功率变压器B2次级全波整流电路中滤波电感L2电流的检测中，互感器T2初级绕组T2-1和二极管D21的位置、初级绕组T2-2和二极管D22的位置以及初级绕组T2-3和续流二极管D23的位置都是可以顺序交换的。
在开关电源功率变压器B3次级采用全桥整流器时，滤波电感L3中电流的检测也可以应用本发明提供的亚宁互感器，当然也需要另外设置单独的续流二极管D33，并将互感器T3的三个初级绕组T3-1、T3-2和T3-3分别串入到全桥整流器上部的两个二极管D31、D32和续流二极管D33的支路中去，如图10示，T3-1的同名端与整流二极管D31的负极相连，T3-2的异名端与整流二极管D32的负极相连，T3-3的同名端与续流二极管D33的负极相连，T3-1的异名端、T3-2的同名端、T3-3的异名端与滤波电感L3的左端这四者相星连。
本发明提供的亚宁互感器，其优点是：1.与传统的双互感器检测电路相比，只需一个体积更小的互感器；2.无需考虑磁通复位问题。
附图1是BOOST型PFC电路原理图。
附图2是BOOST型PFC电路里电感电流波形。
附图3是采用双互感器的BOOST电感电流IL检测电路。
附图4是Buck电路和Buck-Boost电路的结构。
附图5是现有的用于功率变压器次级全波整流电路中的滤波电感电流检测的双互感器电路。
附图6是本发明提供的亚宁互感器。
附图7是亚宁互感器用于Boost、Buck和Buck-Boost电路中电感电流检测的连接图。
附图8是用于Boost型PFC电路中电感电流检测的亚宁互感器的实施例。
附图9是亚宁互感器用于变压器次级全波整流电路中的滤波电感电流检测的一个实施例。
附图10是亚宁互感器用于变压器次级全桥整流电路中的滤波电感电流检测的一个实施例。
对照附图8和附图9，进一步详细地叙述本发明的实施例将有助于对其原理和优点的理解。叙述中关于磁通的方向规定为：当电流从互感器初级绕组的同名端流入时，产生的磁通为正，反之为负。
附图8中，当开关管K1导通时，电感L1中电流从初级绕组T1-1的异名端流入，在铁芯中产生负磁通；当二极管D1导通时，电感电流从初级绕组T1-2的同名端流入，在铁芯中产生正磁通；二极管D1和开关管K1轮流导通，就在互感器的铁芯中产生交变的磁通，在次级生成交变的电压，再经过互感器次级整流器的作用，在负载电阻RS上产生了完整的电感L1电流IL的采样电压。本实施例采用了使用两个次级T1-3和T1-4的全波整流方式，负载电阻RS两端并联的小电容CS用来滤除可能产生的尖峰电压。
在本实施例中，由于互感器T1的两个初级绕组T1-1和T1-2中交替流进相反方向的电流，因而其合成激磁电流的直流成分很小，在理论上可以使用比双互感器电路中的每一个更小的磁环，在实用中完全无需考虑磁通复位问题，可以只从结构上来设计互感器。
显然，本实施例中绕组T1-2和二极管D1的位置可以顺序交换，绕组T1-1和开关管K1的位置也可以顺序交换。
附图9中，电感L2中的电流等于整流二极管D21、D22和续流二极管D23的电流之和。当主变压器B2的次级电压上正下负时，D21导通，电流从互感器初级绕组T2-1的同名端流入，在铁芯中产生正磁通。当主变压器B2的次级电压上负下正时，D22导通，电流从互感器初级T2-2的异名端流入，在铁芯中产生负磁通。当主变压器B2的次级电压为零时，电感电流通过二极管D23续流，此电流从互感器另一个初级T2-3的同名端流入，在铁芯中产生正磁通。主变压器B2正常工作时，就在互感器的铁芯中产生交变的磁通，在次级生成交变的电压，再经过互感器次级整流器的作用，在负载电阻RS上产生了完整的电感L2电流的采样电压。在这个实施例中，互感器T2的合成激磁电流中的直流成分也很小。
在此实施例中，也可以改变同名端的连接，比如：T2-1和T2-2的同名端分别与整流二极管D21和D22的负极相连，T2-3的异名端与续流二极管D23的负极相连。这种情况下，当主变压器B2有输出时，无论是上正下负、还是上负下正，都在互感器的铁芯中产生正磁通，只在主变压器B2无输出时，电感L2中的电流通过二极管D23续流，并在铁芯中产生负磁通。
由以上两个实施例的工作原理，可以看到，本发明提供的亚宁互感器实际上还可以应用在其它许多电路的电流检测中，只要这个电流是由几部分脉冲电流交替组合而成的，如Cuk、Zeta电路、单端正激电源中整流输出级的电感电流、推挽式开关电源中变压器初级电源电流的检测都是这样的例子。
Claims (7)
1.一种用于脉冲电流检测的电流互感器，它由一个磁芯和绕在其上的初次级绕组以及与次级绕组相配接的整流二极管和负载电阻RS所组成，其特征是：
在同一个磁芯上有不止一个初级绕组，这几个绕组分别串接到外电路的在时间上有电流交替流通的几个支路中，串接方法为：
第一个初级绕组T-1串接到第一个电流I1支路中，并且让电流从绕组的同名端流入；第二个初级绕组T-2串接到第二个电流I2支路中，并且让电流从绕组的异名端流入；第三个初级绕组T-3串接到第三个电流I3支路中，并且让电流从绕组的同名端流入；依此类推，同名端和异名端交替。
2.根据权力要求1所述的电流互感器，其特征是：
在电感L1、二极管D1和三极管K1做星型连接的Boost、Buck和Buck-Boost三种开关拓扑电路中，初级绕组T1-1串接到开关K1的支路里，绕组的同名端与开关K1相连；初级绕组T1-2串接到二极管D1的支路里，绕组2的异名端和二极管D1相连接，T1-1的异名端、T1-2的同名端与电感L1三者星接在一起。
3.根据权力要求1或2所述的电流互感器，其特征是：
在Boost、Buck和Buck-Boost这三种开关拓扑电路里电感L1电流的检测中，绕组T1-2和二极管D1的位置、绕组T1-1和开关管K1的位置都可以顺序交换。
4.根据权力要求1所述的电流互感器，其特征是：
在开关电源功率变压器B2次级的全波整流电路滤波电感L2的电流检测中，初级绕组T2-1、T2-2和T2-3分别串联到整流二极管D21、D22和续流二极管D23的支路中，T2-1的同名端与整流二极管D21的负极相连，T2-2的异名端与整流二极管D22的负极相连，T2-3的同名端与续流二极管D23的负极相连，T2-1的异名端、T2-2的同名端、T2-3的异名端与滤波电感L2的左端这四者相星连。
5.根据权力要求1或4所述的电流互感器，其特征是：
在连接互感器T2的几个初级绕组T2-1、T2-2和T2-3时，关于同名端的处理，只要从几个二极管D21、D22、和D23流出的电流不都是从初级绕组流进或流出就可以了。
6.根据权力要求1或4所述的电流互感器，其特征是：
检测互感器T2的初级绕组T2-1和整流二极管D21的位置、初级绕组T2-2和整流二极管D22的位置以及初级绕组T2-3和续流二极管D23的位置都是可以顺序交换的。
7.根据权力要求1所述的电流互感器，其特征是：
在开关电源功率变压器B3次级的全桥整流电路滤波电感L3的电流检测中，互感器T3的三个初级绕组T3-1、T3-2和T3-3分别串入到全桥整流器的上部两个整流二极管D31、D32和续流二极管D33的支路中去，T3-1的同名端与整流二极管D31的负极相连，T3-2的异名端与整流二极管D32的负极相连，T3-3的同名端与续流二极管D33的负极相连，T3-1的异名端、T3-2的同名端、T3-3的异名端与滤波电感L3的左端这四者相星连。
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