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DC-DC轉(zhuǎn)換器初級(jí)電流檢測方法

發(fā)布時(shí)間:2011-11-22

中心議題: 解決方案:
  • 電阻直接取樣
  • 利用霍爾元件(LEM)取樣
  • 利用電流互感器取樣

引言


在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中,很重要的一項(xiàng)內(nèi)容是過載保護(hù)功能的設(shè)計(jì),尤其是在空間領(lǐng)域,由于其高可靠、高風(fēng)險(xiǎn)、不可維修的特性,使得空間用DC-DC轉(zhuǎn)換器要具備可靠的過載保護(hù)功能。

過載保護(hù)功能是指在負(fù)載過載情況下,能有效保護(hù)DC-DC轉(zhuǎn)換器不會(huì)因過熱而損壞。由于用電負(fù)載不同,對(duì)過載保護(hù)功能要求也不同??刂葡到y(tǒng)要求過載后DC-DC轉(zhuǎn)換器不能斷電,其采取限流保護(hù);有效載荷系統(tǒng)要求可以在過載后DC-DC轉(zhuǎn)換器斷電,其采取截流保護(hù)。

設(shè)計(jì)過載保護(hù)就需要檢測電路中的電流,DC-DC轉(zhuǎn)換器的電流取樣可以直接檢測輸出回路的電流,例如次級(jí)整流回路的電流;也可以檢測初級(jí)回路的電流,例如流過功率MOSFET管的電流。

電流檢測的一般方式

電流檢測常用的方式為電阻直接取樣、利用霍爾元件(LEM)取樣和利用電流互感器取樣。

用電阻取樣易于實(shí)現(xiàn),電路設(shè)計(jì)簡單,但損耗大,檢測信號(hào)易受干擾,適用于小功率轉(zhuǎn)換電路,電路如圖1所示,其中R1為電流檢測電阻。以源端平均電流1A為例,常用的電流控制型PWM控制器UC1845的電流保護(hù)檢測電壓為1V,這樣需要的電阻為1Ω,功耗為1W,按照航天器元器件降額要求(GJB/Z 35-93《元器件降額準(zhǔn)則》),至少選用2W的電阻。而一個(gè)2W電阻的封裝對(duì)于模塊電源來說體積較大。
用霍爾元件雖然檢測精度較高,但成本、體積常常對(duì)于模塊電源來說還是無法接受。

一般電流互感器的特性介于電阻和霍爾元件之間,是用得最多的一種電流檢測方法。DC-DC轉(zhuǎn)換器中常用的是脈沖直流互感器,其原理如圖2所示,工作方式為單向磁化,類似正激轉(zhuǎn)換器。當(dāng)初級(jí)電流流通時(shí),磁芯中磁場逐漸增大;當(dāng)初級(jí)電流不再增加時(shí),次級(jí)感應(yīng)電勢將二極管擊穿,使磁芯復(fù)位到剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。

通常初級(jí)線圈為1匝,次級(jí)匝數(shù)很多,這樣可以減小次級(jí)反射到初級(jí)的阻抗,以減小對(duì)初級(jí)的影響。
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如果不考慮線圈電阻,則次級(jí)感應(yīng)電壓可以近似為電壓源,脈沖直流互感器的設(shè)計(jì)依據(jù)公式(1):


式中:e2為次級(jí)感應(yīng)電壓,Ton為導(dǎo)通時(shí)間,N2為次級(jí)線圈匝數(shù),Ae為磁芯有效截面積,△B為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度,單位為特斯拉(T)。

互感器勵(lì)磁電流im有如下關(guān)系式:


一般電流互感器初級(jí)匝數(shù)為1,即N1=1,則(3)式可以表示為:


式中:AL為磁芯電感系數(shù),表達(dá)式為:

如果定義電流檢測誤差為:

即電流互感器設(shè)計(jì)公式為:

用輸入差模電感作電流互感器的原理

由于電磁兼容性的需要,DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入端都要加EMC濾波器,通常的濾波器由共模濾波電感、差模濾波電感、濾波電容組成,如圖3所示。

由于輸入回路串接了工作于開關(guān)狀態(tài)的功率開關(guān)管,因此輸入端有兩個(gè)電流回路,一個(gè)是輸入電容通過輸入電感充電回路,另一個(gè)是輸入電容通過變壓器初級(jí)向功率開關(guān)管放電回路。

用輸入差模電感作電流互感器,檢測輸入電流的應(yīng)用電路如圖4所示。
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下面推導(dǎo)互感器次級(jí)感應(yīng)電壓與輸入電流的關(guān)系。

如果忽略T1次級(jí)反射阻抗的影響,可以將T1初級(jí)等效成電流值為輸入電流Iin的恒流源,主變壓器初級(jí)及開關(guān)管V1可以等效成受占空比控制的脈動(dòng)電流源。

不考慮V1的導(dǎo)通與截止時(shí)間,且整個(gè)轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)模式,主變壓器初級(jí)導(dǎo)通時(shí)的電流可以近似為常值,這樣整個(gè)工作周期內(nèi)主要各點(diǎn)電壓、電流波形如圖5所示。

電路工作于穩(wěn)態(tài)后,t0~t1時(shí)間段V1關(guān)斷,輸入通過Iin給輸入電容Cin充電;t1~t2時(shí)間段V1導(dǎo)通,輸入電容Cin通過主變壓器和V1放電,如此循環(huán)。

可以推導(dǎo)輸入電流與電容紋波電壓的關(guān)系為:


因此可以把輸入電容上的紋波電壓等效為T1初級(jí)的交流信號(hào)源,如圖6所示。

互感器初級(jí)按照一般差模電感進(jìn)行設(shè)計(jì),本文再不贅述了。設(shè)計(jì)次級(jí)時(shí),此時(shí)不能按照一般電流互感器次級(jí)設(shè)計(jì),而是把電流互感器次級(jí)作為正激變壓器次級(jí)去設(shè)計(jì),次級(jí)匝數(shù)為:


電路仿真

作者用Saber-2005仿真軟件對(duì)這一應(yīng)用電路進(jìn)行了仿真分析,仿真電路如圖7所示。輸出電壓為28.5V,輸出電流步長為0.1A,從0A變化到4A。

測試數(shù)據(jù)


作者設(shè)計(jì)了一個(gè)開關(guān)電源,輸入互感器用MPP磁芯55045A2,初級(jí)而數(shù)22匝,次級(jí)匝數(shù)220匝,輸出電壓28V,輸出電流步長為0.1 A,從0A變化到4A,輸出電流與互感器次級(jí)感應(yīng)電壓Vout的實(shí)測曲線如圖8所示。

結(jié)語


本文探討了一種利用輸入濾波差模電感,做DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入電流互感器的原理與設(shè)計(jì)方法,在電路應(yīng)用中可以省略單獨(dú)的電流互感器。當(dāng)然對(duì)于具體電路,其設(shè)計(jì)要依賴于輸入濾波電容的大小,因此對(duì)于一個(gè)具體的DC-DC轉(zhuǎn)換器,應(yīng)先設(shè)計(jì)輸入濾波電路,再設(shè)計(jì)該電流互感器。
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