1简介
一般的星载二次电源系统多采用多变换器分布式结构，为了实现各级设备的控制和故障检测隔离，必须对用电设备进行有效的电流传感检测。在引入电流传感电路时，首先应该着重考虑下面几点：①在卫星轨道环境、全温度范围中，稳定工作；②不能因增加电流传感电路引起较大的功率损耗，降低二次电源系统的效率；③较小的体积和重量。通常电子设备中对电流检测基本上采用电阻分流器、霍尔电流传感器、磁性电流互感器的方式。电阻分流器不具有隔离功能。而霍尔电流传感器虽然可以测量从直流到几百千赫兹频率的电流，但其应用场合受到体积、线性度、宽温范围内稳定性的限制。由于磁性电流互感器在监测电流时，具有初次隔离、损耗很小而且在宽带内保持较好的波形等优点，电流互感器在隔离传感、测量交流电流和脉冲电流传感方面广泛使用。鉴于目前空间飞行器多采用低压直流母线馈电方式，为了实现控制和保护功能，在某卫星载电子设备用二次电源系统中考虑采用以磁性电流互感器和必要的模拟和数字电路为基础，结合混合集成封装技术，构成符合星载等空间飞行器用的电流传感器，使电子设备需要具有准确、隔离、低功耗测量高直流电流能力，满足二次电源系统高可靠工作的要求。
2工作原理
大多数磁性电流互感器都采用环行磁环结构制作。被测电流线穿过磁性圆环中间作为初级，为了减少功率损耗，电流互感器的次级匝数一般需要很高。在一般交流电流传感器中应用时，互感器的初级是一个交变量，在交流励磁电压作用下，磁性材料磁通密度B在正半周时－BS变化到＋BS，在负半周时＋BS变化到－BS，周而复始地沿着整个磁滞回线交替工作[1]，如图1所示。
从磁感应原理上可以看出，当初级加上直流电流的时候，次级也可以得到直流电流输出。但随着互感器磁性材料的逐渐饱和，次级将不再输出直流电流，即次级电流输出的维持时间由互感器初级或次级两端的电压积分时间所决定的。互感器最大的饱和时间是由正饱和到负饱和，或由负饱和到正饱和所用的时间，这个时间可以通过法拉第等式给出的伏－秒方程解出。如果在互感器的次级增加一个正电压脉冲强迫互感器的磁性材料处于正饱和，那么在初级增加一个负的直流电压或电流的话，可以在次级两端获得最长时间的负的直流电压。如图2所示。
从图2中可以看出，虽然互感器的初级加有直流电流，通过次级加入强制复位后，可以在复位脉冲结束后得到一个电压输出平坦部分（t1到t2的时期），该平坦期输出的电压Vout为ip/N*R，即采用正脉冲加在次级使磁性材料复位达到正饱和，初级为所需要测量的负的电压或电流，在磁性材料由正饱和转换为负饱和过程中，除了在饱和期间内互感器都可以维持直流互感器的效果，正是利用这段时间在次级完成测量。
3直流传感器电路设计
星载二次电源系统中所用的传感直流电流的磁性电流传感器如图3所示， 整个传感器的构成除了磁性电流互感器之外，还包括由数字电路和模拟电路组成的厚膜电路。
3.1磁性电流互感器的设计
某卫星载有效载荷的二次电源系统总功率大于6kW，考虑到二次电源采用分布式供电结构，可以对各配电支路进行有效检测即可达到检测控制的目的。根据目前各支路的配电容量，检测电流范围0~20A的直流电流。
电流互感器次级电压积分达到饱和的时间可由下式计算：
 (1)
这里：t 为电压的持续时间
 VC 为互感器次级两端的电压
 AC为磁性材料的有效截面积
 BS 为磁性材料的饱和磁通密度
考虑空间使用环境，选用超微晶环行磁心制作磁心电流互感器。磁心最大外径、最小内径、最大高度为：14.0*8.5*6.7mm。磁心的饱和磁通密度BS＝1.2T，环行磁心的有效磁心截面积AC＝0.050cm2。考虑到电流测量范围次级N=2000，绕组的直流阻抗为129.2欧姆。
利用式(1)计算出： VC*t=24VmS。在脉冲复位期间，VC为强制复位脉冲电压15V；在脉冲复位期后为次级感应电压，考虑到绕组直流阻抗和取样电阻RS=200欧姆，计算出各时期需要的时间。

通过计算复位时间为247.2μs，当然，随着初级电流的变化所需的复位时间也有所变化。虽然脉冲强制复位在磁性未完全达到负饱和时就实施复位，复位期间电流互感器也可以在次级维持输出（ip/N）*RS平坦电压部分，也可以进行电流测量[2]、[3]，但高重频的复位一方面会增加测量功耗，一方面在小电流测量时在复位脉冲期测量，会引入测量干扰。考虑到星载二次电源出现电流异常的机率和系统对电流异常的难受时间，仅采用复位脉冲期后进行测量，即测量需要在616μs内完成。
3.2测量电路工作时序
当二次电源系统根据需要对某一配电支路进行电流检测的时候，即向被测量配电支路的电流传感器发送10~20μs的测量同步信号。电流传感器的厚膜电路中的D1为双稳态触发器，该触发器接到测量同步信号之后，产生出强制复位电平信号，信号经N1功率驱动电路放大驱动功率管V1，MOSFET导通，VCC加到电流互感器T1的次级对T1进行反向励磁直到磁心达到正饱和。当电流互感器饱和之后，取样电阻RS上会获得最大电压，考虑到功率管和电流互感器的绕组直流电阻，当VRS大于9V的时候即磁心已达到正饱和。比较器N2此时将输出一低电平信号送至D1的R端，对触发器复位，触发器停止输出复位电平，驱动电路同时停止输出驱动，MOSFET关断复位脉冲结束。
在D1停止输出复位信号的同时，输出一取样同步信号给取样保持电路，取样保持电路在500μs内完成取样并保持输出。为了简化电路，在实验阶段采用了模拟电路方式进行取样保持(已有的成熟技术)，也可以采用高速A/D变换器进行取样[3]。
二次电源系统的监控电路根据测量同步脉冲延时1~1.5mS后回读电流传感信号，即完成一次电流测量。为了降低复位功耗，系统可以根据需要实施各配电支路电流的巡检或在有效载荷工作期间对重点支路高重复频率检测。
4实验结果
按上述参数设计的实验电路在－55℃~+85℃的环境温度范围内，电流传感测试精度达到0.5%。最高重复测试频率可达1kHz。测量时电路功耗小于0.5W，静态功耗200mW。
5结束语
利用磁性电流互感器的正负饱和磁化过程对直流电流进行测量，结合厚膜电路技术构成电流传感器以满足空间环境使用要求。采用该技术制造的电源不仅可以供空间二次电源系统用，也可以在地面、航空等特殊环境条件中应用。

参考文献
[1]杨玉岗 编著“现代电力电子的磁技术”
[2]K.Harada and H. Sakamoto，“Current Sensors with a Small Saturable Core and MOSFT ”，IEEE transactions on magnetics，Vol.24，NO.6 1988.
[3]Craig Sullender “Magnetic Current Sensors for Space Station Freedom” APEC’91.
作者简介
汪军，男，现为华东电子工程研究所高级工程师，主要从事功率电子设备的研发工作。