一种新型零波纹DC电流变压器的设计

摘要：为了在功率电子应用中实现感测电流的高精度、高速度、高可靠，以及无磁滞影响，本文提出了一种新的零波纹DC电流变压器（DCCT）电路。这种DCCT电路由与内部振荡器时钟脉冲同步的二相（反相）晶体管磁心多谐振荡器组成。文中给出了其工作原理和实验结果、及其静态和动态特性，据称其时钟脉冲在3kHz内的响应时间为2μS。
关键词：DC电流变压器 晶体管磁心多谐振荡器 二相时钟脉冲 饱和磁芯

1 引言
为了用逆变器进行矢量控制的方法控制AC电机，最通用的方法是必须用定子电流得到转矩，该电流基本为交流。因此，为了控制电机的速度，AC电流的频率应从零变化到几百赫芝。为检测零频电流，传感器应具有一种测量DC电流的功能。此外，为了求得瞬时转矩，检测速度应足够高。为此目的，传感器检测电流应从DC到几百kHz的AC，并在温度变化和噪声条件下应具有足够高的精度和可靠性。此方面应用，使用了基于霍尔效应的电流传感器，不过，这种传感器也存在着缺陷，这是由于其磁轭存在着磁滞现象，这就造成了电机控制方面的转矩波纹。有时，这种瞬态响应在某些情况下可能是不充分的，不过这些缺点可通过用高速饱和电抗器型DC变压器加以克服[1]，见图1。借助于内部磁心的互感磁通量，可以检测到精确的DC电流。另一方面，在这种电路中，至少需要3个低频变压器构成这种饱和电抗器型DC变压器；如此必然会增加电路的复杂性，同时也相应地增大体积，并增加了成本费用。

图1 饱和电抗器型DC电流变压器的功能方块图，它由检测磁心，低频变压器、二个调整器/补偿器和外部振荡器组成。
为了解决这一问题，本文介绍了一种新型DC电流变压器电路，它由二个具有饱和磁心的多谐振荡器组成，并与二相时钟脉冲同步。我们在1982年已报导了三相时钟的基本原理[2]。不过在那种情况则要求三个饱和磁心，使其电路变得较为复杂。在本文中，提出了作为元件数量最少的二相（反相）情况，同时也阐明了其静态和动态特性。根据研究结果，我们发现它们具有大的动态范围和快速响应特性是非常好的，尤其适于用逆变器的电机控制。文中给出了静态和动态这两种特性的理论分析和实验结果。
2 电路说明
1972年提出了在多谐振荡器中按感应电压的幅度检测DC电流的基本原理[3]，通过对该原理的延伸，现已开发出零波纹DC电流变压器。图2示出了这种新传感器的基本原理。二个晶体管磁心多谐振荡器#1和#2由双稳态触发电路产生的二相脉冲激励，所以可产生二相感应电压，如图3所示，每个多谐振荡器根据不同匝数的绕组产生不对称的感应电压，通过逻辑OR电路产生输出，由于二个开关晶体管之间换向，造成谷值输出，将通过整流输出迭加的方法加以消除。

图2 新型的DC电流变压器电路功能方块图，它由基于二个晶体管磁心的多谐振荡器、环形计数器和具有内部振荡功能的脉冲发生器组成

图3 本文提出的零波纹DC电流变压器的感应电压和输出电压的理想波形
图4给出了实现图2基本框图的典型电路，变压器有，和三个绕组，为了简易起见，这儿我们设定=2，以便具有不对称电压，如图3所示，为了在高频涡流条件下使测量误差最小，故使用了第三个绕组。

图4 本文提出的零波纹DCCT示意图
两组多谐振荡器由相应180°的AC电压二个相应时钟脉冲开关转换，由于使磁心沿小磁滞回线确定该频率，每个多谐振荡器的转换是通过饱和磁心的饱和时钟脉冲交替产生的，由于二个晶体管由时钟脉冲交替转换，因此绕组的感应电压是非对称的，且DC输入电流可按幅度变化测取。在这种情况下，为适于小回线工作，时钟脉冲的频率应高于/4Φ，式中Φ为磁心的饱和磁通。根据图4所示电路，对有关输出电压进行了分析，由于基极电阻＞＞ ，而且＞＞ ，那么下式可求得.

式中，为磁心的矫磁力；为电源电压；A为放大器增益。
显而易见式（1）中的（a）项保证了输入电流和输出电压之间的线性关系，而（b）项表示了由、、和参数引起的误差分量。还应指出，式（1）是在以下假设条件下获得的，（1）磁心为理想的矩形特性，（2）漏感忽略不计，（3）晶体管的C-E饱和电压忽略不计，（4）晶体管的截止到导通状态的转换时间忽略不计。本假设中的（1）对保证DC电流变压器的足够精度尤为重要。
3 动态分析
影响DC电流变压器动态特性的因素是耦合到磁心的电容和电阻，图5示出了DC电流变压器的高频等效电路，图中是内部的寄生电容，它包含了绕组的寄生电容，和晶体管、二极管和运算放大器的虚假电容。为了确定寄生电容的值，可将一个预先测定的电容并联接到输出端，用固有频率外推法，结果测得为600pF，然而为消除分布电容的影响，在输出端接入一个小的1或2毫微法电容。

图5 新型DC电流变压器高频等效电路
另一方面，包含涡流组抗在内的电阻对高频动态响应特性而言也是一个受支配因素，根据图5，电路的传递函数可按式（2）求得：

式中，R是电路的总内阻，C是电路的总电容。式中，C=+，R=∥；为寄生电容；为输出滤波器和基它器件的电容；为涡流阻抗；为外部连接电阻。
4 实验评估
用一原型电路以便得到其静态I-V特性和动态开关响应，我们完成了实验评估，图6-8给出了其实验结果。在该原型设计中，选用了具有3kHz时钟频率的Co基非晶磁心，而初级绕组为10匝。图6示出了输出电压的波形，它具有固有的零波纹，并示出了来自二相多谐振荡器的感应电压，可见二个波形相差180°。就输出电压的特性而言，可观察到小的波纹，这是起因于磁心偏离理想的矩形特性的缘故，该波纹可通过对磁心的选择而降低。图7示出了静态I-V关系曲线，由此曲线可见到新型DC电流变压器可提供良好的线性特性，大的动态范围，且零电压误差可通过图4中偏压加以补偿。关于动态特性，图8示出了用我们的DC电流变压器探测到的瞬时接通时的动态瞬时响应，并且将该数据与阻抗电流分流器测得的数据进行了比较，显而易见这种新型电流变压器具有良好的动态响应特性，且这种新型DC电流变压器的响应时间在3kHz时钟频率时为2μs。

图6 DC电流变压器零波纹输出波形，和基于二个晶体管磁心的多谐振荡器的信号

图7 实验测得的新型DC电流变压器的输出电压与输入电流的静态V-I关系曲线

图8 实验测量的新型DC电流变压器接通时的动态瞬时响应波形
5 结束语
本文提出了一种新的为保证具有高线性度、高速和零波纹输出特性的DC电流变压器的设计原理，这种新的DC电流电压器的截止频率远高于时钟频率，结果表明该传感器可用于高速功率电子设备。实验评估证明在宽频率范围内其静态和动态特性都取得了令人满意的结果。

参考文献
[1] C.Adamson and N.G.Hingorani，"New Transductor-type D.C Transformer particularly Applicable to
H.v.D.C. System." Proceeding IEE，vol.110，No.4，April 1963.
[2] K.Harada. et al. "DC Current Sensors of Instantaneous Response Using Amorphous Cores，
"IEEE Trans. on Magnetics. vol. MAG-21，No.5，Sept，1985.
[3] K.Harada and T.Nakano， "The Magnetic Mixing Amplifier，"IEEE Trans.on Magnetics，
vol. MAG-8，No.4.Dec.1972.
[4] K.Harada."polyphase Mutivibrators，"IEEE trans.on Magnetics， vol.
MAG-3，No.2，Jun.1967.