电力电子技术用的零纹波直流互感
Zero Ripple DCCT for Power Electronics Applications

1 引言
交流电动机传动矢量控制，用定子电流获得转矩。为了控制电动机的速度，必须精确测定频率从零至数百赫的交流电流。检测零频率电流时，传感器能测量直流电流。而在得到瞬时转矩的时候，检测速度要相当快。因此，传感器在直流到频率数百千赫的交流时要有相当高的精度和可靠性，而且不受温度变化和噪声的影响。有人采用载波型电流传感器，例如饱和电感器。但是，它高精度检测瞬态电流时，响应速度太慢。也有人采用霍尔效应电流传感器，也有缺点，由于它的磁轭有磁滞现象，在电动机控制中会造成转矩波动。因此，有时瞬时响应没有那样快。用快速变换器型直流互感器能克服上述缺点。它利用磁芯内在的磁通变换，可精确地检测直流电流。要构成这种变换器型直流互感器，至少要用3个低频变压器，势必会增大体积，提高成本，增加电路复杂性。
为了解决这些问题，本文提出了一种新的直流互感器电路，它由两个多谐振荡器组成，两相时钟脉冲同步，通过同一个饱和磁芯耦合。根据理论和实验分析，这种新电路非常适合于要求动态范围宽和时间响应快的电动机传动控制。
2 电路说明
1972年首次提出，利用多谐振荡器中感应电压幅值来检测直流电流的方法。根据它开发出具有零纹波特性的直流互感器。图1是这种新式传感器的基本方框图。图中#1和#2两个晶体管磁多谐振荡器，由两相脉冲驱动。如图2所示，触发电路产生两个相反相位的脉冲，以便得到两相感应电压。每个多谐振荡器利用不同匝数产生非对称感应电压，经过“或”逻辑电路输出。两个输出整流后重叠，可以消除两只开关晶体管换向时引起的输出下降。

图1 零纹波直流互感器的原理方框图

图2 零纹波直流互感器感应电压的典型波形
图1中的互感器有3个绕组，即，，Ne。使和绕的匝数不同，产生不对称电压。第三个绕组Ne，是为减小高频涡流产生的测量误差。
电路工作中，用两个时钟脉冲开关两个多谐振荡器产生180°不同相位输出交流电压。频率经过特殊的选择，使磁芯磁滞回线小。每个多谐振荡器的换向，由可饱和磁芯的饱和和时钟脉冲来触发。两只晶体管同时钟脉冲一起交替开关，于是，绕组感应电压就变成不对称的，而直流输入电流可根据幅值变化来检测。假如>，在小回线工作时，时钟脉冲频率必须高于Vcc/4，（式中——磁芯的饱和磁通），才有可能检测电流。
3 静态分析
图1示出的直流互感器中，为了简化数学处理，按下面的假设进行分析：
（1）磁芯是理想的矩形磁滞特性曲线（图3）。

图3 磁芯的理想磁化特性曲线与局部回线
（2）漏感忽略不计。
（3）晶体管集电极发射极饱和电压忽略不计。
（4）晶体管从截止到导通的开关时间忽略不计。
假设（1）是保证直流互感器高精确度的关键因数，特别重要。这里，分析#1多谐振荡器工作情况。#2多谐振荡器，通过时钟脉冲延迟半个周期工作情况同#1一样。
为了简化设计，设=2。首先，晶体管导通，磁芯的磁通自正饱和值下降，在绕组和集电电阻上出现#1多谐振荡器的感应电压和输出电压。在这个阶段，以（见（13）式）出现在输出端。由于在这个阶段磁芯不饱和，按基尔霍夫电压定律（KVL），可列出以下方程式：

式中，设，则得到以下感应电压。
(5)
然后，取变压器从复归磁通到饱和磁通的感应电压的时间积分，用以下方程式求得晶体管导通时间区间。
（6）
其次，当时钟脉冲加到晶体管的基极上，开始导通。在这个阶段，绕组中感应电压。在这个阶段，可列出以下几个静态方程式。

根据（7）～（10）式，求出感应电压为
(11)
与此类似，在时间区间内，通过从复归磁通到饱和磁通的感应电压积分，晶体管的导通时间表达为
（12）
从（6）式和（12）式可以看出，导通时间区间是的将近2倍。选择电路参数，控制和，也就是利用（6）和（12）式的条件，可以使输出电压得到零纹波输出。可以对图1电路输出电压进行稳态分析。设基极电阻，输出电压的简化形式可以表示为下列方程式。
（13）
式中，——磁芯的安匝，——电源电压，A——放大器的增益。
很明显，（13）式的（a）项表示输入电流和输出电压之间存在线性关系。还要注意的是，（13）式的（b）项，表示参数、、和引起的误差分量。
4 动态分析
影响直流互感器动态性能的因素是与磁芯耦合的电容和电阻。图4是直流互感器的高频等效电路，其中是内部杂散电容。电容包括绕组的杂散电容，和晶体管、二极管及运算放大器的寄生电容。在实际应用中，杂散电容，是通过分析与并联到输出端上的附加电容Cx的频率响应，来推断确定的。用这种方式，可算出接近600pF。这也说明，为了减少分布电容引起的误差，要在输出端接上一个1nF或2nF的小电容。

图4 新型直流互感器的高频等效电路
如图4所示，电阻被选定为模拟涡流电阻。图4中等效电路的传递函数可列为（15）式，式中R代表电路的总内电阻，C代表电路的总电容。
（15）
式中，C=+，R= //。
——杂散电容，
——输出滤波器的电容
——涡流电阻，
——外接电阻。
5 用于交流
还有，可以用上面介绍的这种直流互感器直接检测交流电流。图5中电路，主要用两个按推挽拓朴连接的基本直流互感器单元组成。两个直流互感器单元交替进行检测：一个极性的全部电流都通过#1单元；另一个极性的全部流过#2单元。输入节点内接有二级管，成两个对输入电流检波直流脉冲。要得到交流输出，可使#2单元的输出信号经过一放大器反向。就是这样，把这种推挽电路用在交流电动机传动中，可以简化交流电流的检测。

图5 新型直流互感器的原理方框图
6 实验验证
图6中给出交流和直流两种输入状况静态伏安特性曲线，并通过实验验证。如图所示，在检测交流和直流时，新型直流互感器显示出良好的线性特性。样品电路中采用钴基非晶合金磁芯，以3kHz时钟频率励磁。互感器的技术指标列于表1，饱和磁芯特性如图7。图8是检测直流时输出电压（）的波形，呈特有的零纹波。图8还给出两相多谐振荡器感应电压，两个电压波形之间相差180°。图8输出波形中可以观察到有小纹波，可能是由于磁芯偏离了理想矩形磁滞特性造成的。适当选择磁芯，可以将纹波减至最小。图9给出检测交流时新型直流互感器的输出电压和输入电流，输入的交流电流被变换成输出交流电压。从图中看出，由于输出二极管的电压降，会有一些小的波形畸变。另外，为了验证检测混合信号（直流和交流）的能力，使用了同时载有高频（75kHz）交流电流的直流电流作为电流源。用电阻式分流器和新型电流互感器，检测到的波形比较画在图10中。


图6 直流和交流输入时，实验测定的直流互感器输出电压与输入电流之间关系静态V-1曲线。

图7 饱和磁芯特性曲线

图8 直流互感器零波纹输出波形与两个晶体管磁多谐振荡器的电压波形

图9 用直流互感器检测交流电流时输入电流I0和输出电压波形

图10 用电阻式分流器和新型直流互感器检测交/直流混合电流的波形比较
7 结论
本文介绍了一种新型直流互感器，具有线性、快速和零纹波输出。根据对直流互感器的静态和动态分析，检测精度主要取决于磁芯材料、集电极电阻和涡流电阻。只要恰当选择组成元件，就可以达到高精度。这种直流互感器也适合于检测交流电流，特别是用在大功率和高频电力电子设备中，例如电动机传动中。实验结果显示，在宽的频率范围内，检测直流和交流的结果令人满意。

参考文献
J.Magn.Soc.Japan，2000年，vol24（4-Ⅱ）：P787～789.