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DC-DC轉(zhuǎn)換器初級電流檢測方法

發(fā)布時間: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)計中,很重要的一項內(nèi)容是過載保護(hù)功能的設(shè)計,尤其是在空間領(lǐng)域,由于其高可靠、高風(fēng)險、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)換器不會因過熱而損壞。由于用電負(fù)載不同,對過載保護(hù)功能要求也不同。控制系統(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,例如次級整流回路的電流;也可以檢測初級回路的電流,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。

用電阻取樣易于實現(xiàn),電路設(shè)計簡單,但損耗大,檢測信號易受干擾,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2W電阻的封裝對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)初級電流流通時,磁芯中磁場逐漸增大;當(dāng)初級電流不再增加時,次級感應(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。

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


式中:e2為次級感應(yīng)電壓,Ton為導(dǎo)通時間,N2為次級線圈匝數(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)。

互感器勵磁電流im有如下關(guān)系式:


一般電流互感器初級匝數(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,因此輸入端有兩個電流回路,一個是輸入電容通過輸入電感充電回路,另一個是輸入電容通過變壓器初級向功率開關(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)互感器次級感應(yīng)電壓與輸入電流的關(guān)系。

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

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

電路工作于穩(wěn)態(tài)后,t0~t1時間段V1關(guān)斷,輸入通過Iin給輸入電容Cin充電;t1~t2時間段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初級的交流信號源,如圖6所示。

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


電路仿真

作者用Saber-2005仿真軟件對這一應(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)計了一個開關(guān)電源,輸入互感器用MPP磁芯55045A2,初級而數(shù)22匝,次級匝數(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感應(yīng)電壓Vout的實測曲線如圖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)計方法,在電路應(yīng)用中可以省略單獨的電流互感器。當(dāng)然對于具體電路,其設(shè)計要依賴于輸入濾波電容的大小,因此對于一個具體的DC-DC轉(zhuǎn)換器,應(yīng)先設(shè)計輸入濾波電路,再設(shè)計該電流互感器。
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