第九章 特殊磁性元件.doc

第九章 特殊磁性元件除了电感和变压器以外，在开关电源还用到一些特殊的磁性元件：交流和直流电流互感器、磁调节器和尖峰抑制磁珠等，这些磁性元件功能不同，设计要求也不同本章简要介绍这些元件的设计方法9.1 电流互感器在开关电源经常需要检测电路中电流：如APFC电路中检测输入电流用来跟踪输入电压；在电流控制型控制中需要检测功率管电流控制脉冲宽度；双极型晶体管比例驱动集电极电流检测以及检测输出电流用来保护、均流和显示等等在逆变器中，检测输出电流实现双环控制、显示和并联均流等电流检测可以利用电阻和霍尔元件（LEM）但电阻或分流器检测，前者损耗大，易受干扰，很难做到高精度，只用于小功率，后者体积大；而用LEM检测，虽然精度高，但成本太高电流互感器特性介于两者之间，得到广泛应用既然作为检测元件，互感器设计的出发点就是保证检测精度一般的电流互感器要能保证检测精度，应当是恒定负载阻抗；零漏磁通；零激磁电流和无限大的磁通密度对检测互感器来说负载阻抗一般是恒定的，由于采用环形磁芯，次级又均匀分布在磁环的圆周上，可以忽略的漏感是可以做到的但零激磁电流和无限大磁通密度是绝对做不到的，因为磁导率不是无穷大和磁芯有限的饱和磁通密度。

设计在精度、尺寸、和成本之间折中设计原理与一般变压器相同，步骤和磁芯选择稍有不同初级一般1匝或很少几匝，次级匝数很多，匝比一般为100或更多9.1.1 交流互感器 A l N2 I1 N1 R 图9.1 交流电流互感器9.1.1.1 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 (9.1)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 (9.2)因此初级电流有效值为 (9.3) 式中Im－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 (9.4) 实际激磁电感不可能无穷大，总是存在激磁电流为了维持I2，次级感应电势为 I1 I2’ I2’ U1 Im L1 R 0 Im U1 I2 θ I1 (a) (b) 图 9.2电流互感器等效电路(a)和相量图(b) （9.5）式中Rcu—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（m2）；R－检测电阻由相量图可知,次级反射电流与初级电流的相位差 (9.6)式中R’=(R+Rcu)—次级反射到初级的阻抗；而初级激磁电感 (9.7) 式中μa－磁芯的幅值磁导率；考虑到和，式(9.6)可写成 (9.8)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) (9.9)cosθ展开成级数,在θ很小时,忽略高次项，有 因此，式（9.9）改写为 （9.9a） 从式(9.8),(9.9)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.9.1.1.2 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(w)，检测的电流－初级电流I1，次级所需电压U2（有效值）和检测精度g 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Rcu,在次级激磁电抗远远大于检测电阻时,式(9.8)可近似写为 考虑到R=U2/I2=u2N2/I1N1以及L2=m0maA/l=AL，可以得到 (9.10)式中AL=m0maA/l—磁芯电感常数一般初级线圈N1=1,考虑到式(9.9a)，因此 (9.10a) 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m材料如果要求检测相位误差极小，低频时应选择m极高的皮莫合金或非晶态磁芯还应当注意，这里ma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mi相近，初始设计时，可用mi代替ma 在选定N2后，由式(9.10a)求得AL值低频时硅钢片或非晶态材料手册中并未给出Al值，可根据手册中环形磁芯结构参数计算： (9.11)式中le—有效磁路长度(m)；Ae—磁芯有效截面积(m2) 已知N2后,就可决定次级检测电阻 (9.12)如果只关心幅值检测精度，幅值为g=1%时，相位误差q可达8o(约为0.14弧度)，可选择较小的磁芯。

9.1.1.3 讨论 R I2 I1 I2 I1 U2 R1 R2 N1 N2 A Uo N1 N2 R A Uo (a) (b) 图9.3 高精度电流检测 (1)交流互感器在次级接有检测电阻时，初级电流中只有很小一部分(Im)－检测电流的百分之几用来磁化磁芯为了提高检测精度，磁芯中磁感应源低于饱和磁感应如果次级开路，次级去磁磁势I2N2消失但初级电流由负载决定而未变，初级的磁势N1I1全部用来磁化磁芯，故磁芯中产生很大的峰值磁通，磁芯一般进入饱和，次级产生很高的高压，可能将线圈的绝缘破坏同时由于磁芯将饱和，因DB很大，磁芯发热严重这与一般变压器不同之处 (2) 在低频时，要达到检测精度，由式(9.10)可知，U2越小，精度越高，或互感器的体积可以减少如需要较大的检测电压，可增加一级线性放大器，如图9.3所示。

在图(a)中，U2近似为零（虚地），运算放大器反馈电阻电流等于互感器次级电流I2, 运放输出电压Uo=I2R=I1N1R/N2正比于输入电流可用于弱电流检测如果需要检测大电流，图(a)放大器A输出续接功率放大器，或采用图(b)电路，图中R为很小的检测电阻，R1>>R,即可忽略R1对R的分流作用,Uo=-U2R2/R1 当需要直流输出时，如果直接将次级整流输出，二极管压降成为次级电压的一部分，尤其当检测电压为1V以下时，二极管的压降成了U2的主要部分,加大检测误差为消除二极管的影响，在互感器后接一个绝对值电路(图9.4)，可获得高精度检测 R1 R1 R2 R1 I2 R1 I1 R A1 A2 Uo N1 N2 R1=2R2 图 9.4 直流输出时精密交流互感器检测电路 (3) 从式(9.10)可见，当工作频率高于检测频率时，相位差减小，检测误差也随之减小因此只要基波频率满足误差要求，高频误差是很小的，或者说波形畸变较小。

但高频时应注意磁芯损耗和分布电容的影响 (4) 互感器设计时保证检测精度，要求激磁电流小,低频时选择高磁导率合金带料高频时，一般体积不是个问题，磁感应B选取很低，可忽略磁芯损耗互感器损耗可近似为取样电阻损耗与铜损耗之和： (9.13) 9.1.2 脉冲直流互感器 D i2 i1 i1 D Uo R R T1 ui (a) (b) 图9.5 直流脉冲电流互感器应用 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9.5(a))以及双极型晶体管比例驱动电路(图9.5(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9.1.2.1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，而直流互感器是单向磁化，属于正激变换器工作方式(图9.6)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9.7为相关波形图 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 (9.14) 式中e2—次级感应电势，等于二极管压降与次级电流i2在次级回路电阻上的压降总和；Ton—直流脉冲宽度；VDB—二极管击穿电压；Tr—复位时间通常初级线圈为一匝，根据全电流定律。