| 一种零纹波直流互感器设计 |
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1 引言
采用逆变器实施矢量控制的方法控制交流电动机时，最通用的技术是必须用定子电流获得转矩，而定子电流应是交流电流。为了控制电动机的转速，该交流电流的频率应从0Hz变化到几百Hz。为了检测零频(0Hz)电流，传感器必须具有一种检测直流电流的功能。同时，为了求得瞬时转矩，传感器的检测速度应足够高。为此目的，传感器检测电流应从0Hz直流到几百kHz的交流，并在温度变化和电磁噪声条件下具有足够高的精度和可靠性。在这些方面的应用中，使用了霍尔效应电流传感器，但这种传感器也存在一些缺陷，如磁心的磁轭存在着磁滞现象，这就会造成电动机控制时的转矩纹波，同时，在某些情况下，可能会造成瞬态响应的不够充分。不过，这些问题是可以通过使用高速饱和电抗器型直流互感器加以克服，如图1所示，借助于内部磁心的互感磁通量的变化，可以检测出精确的直流电流。再则，在这类电路中，至少需要3个低频变压器才能构成该饱和电抗器型直流互感器。鉴于此，也必然要增加电路的复杂性和相应地增大了体积，增加了设备的成本费用。
为了解决上述这些问题，本文提出了一种直流互感器电路：它由2个与二相时钟脉冲同步的具有饱和磁心的多谐振荡器组成。以前已见过关于三相时钟脉冲基本原理的报道。那是一种要求有三个饱和磁心的使其电路变得更为复杂。在本文中，作者提出了使用元件数量最少的二相(反相)电路原理，同时阐述了它们的静态和动态特性。根据实际检测结果，发现它们具有大的动态范围和快速响应特性等优势，尤其适合用逆变器的电动机控制。文章对其静态和动态特性进行了理论分析并给出了实验与检测结果。
2 电路分析
以前提出的设计是在多谐振荡器中按感应电压的幅度检测直流电流的基本原理与方法，通过对这种原理的延伸扩展，研究开发出了本文提出的零纹波直流互感器。这种直流互感器的基本原理。电路中，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，由此可以产生二相感应电压，如图3 所示。由图可见，根据不同匝数的绕组，每个多谐振荡器产生不对称的感应电压，借助逻辑OR电路输出。由于二个开关晶体管之间的换向造成的低谷值输出，将通过整流输出叠加的方法进行消除。
其变压器有N1、N2和Ne三个绕组，为了简化、方便制造，在此设定N1=2N2，以便具有不对称的电压值。为了在高频时涡流增大的状态下使测量值的误差最小，因此使用了第三个绕组Ne。
两组多谐振荡器由相位差为180°的交流电压二个相位时钟脉冲开关转换。由于磁心沿小磁滞回线确定时钟频率，因此，每个多谐振振荡器的转换是通过饱和磁心的饱和状态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N1的感应电压是非对称的，故直流输入电流Iin可按幅度变化测得。在这种状态下，为适宜在小磁滞回线工作，时钟脉冲频率应高于Vce/4ΦN1。式中，Φ为磁心的饱和磁通。根据图4所示电路，我们对有关输出电压 Vo进行分析，由于基极电阻Rb》Rc，而且，Rb》Re。
其(a)项保证了输入电流Iin和输出电压Vo之间的线性关系，而其(b)项表征由Re、Rb和Rc以及Fe参数而引起的误差分量。还应该说明的是，式(1)是在以下的假设条件下获得的公式，即①磁心的磁滞回线是理想的矩形特性，②变压器的漏感忽略不计，③晶体管的C-E饱和电压忽略不计，④晶体管由截止到导通状态的转换时间忽略不计。以上假设条件之①对保证直流互感器具有足够精度十分重要。
3 直流互感器的动态特性分析
影响直流互感器动态特性的主要因素是耦合到磁心的电容值和电阻值。图5所示为直流互感器的高频等效电路，图中Ce是互感器内部的寄生电容，它包括了绕组的寄生电容和晶体管、二极管以及运算放大器的虚假电容。为了确定寄生电容Ce的值，可将一个已知测定值的电容器Cx并联连接到输出端，使用固有频率外推法，结果测得的Ce为600PF。然后，为了消除分布电容的影响，则在输出端接入一个小电容量(1或2毫微法)的电容器。
再则，包括涡流阻抗在内的电阻值Re，对高频动态特性也是一个支配性影响因素。
R是电路的总内阻值，C是电路的总电容值。且C=Ce+Cx，R=Re//Rx;Ce为寄生电容值，Cx为输出滤波器和其它器件的电容值，Re是涡流阻抗值，Rx是外部接入的电阻值。
4 检测与评估
为便于得到静态I-V特性和动态开关响应特性，我们使用一原型电路完成了实验、检测与评估，图6~图8所示为实验检测的结果。在原形电路设计中，选用了具有3kHz时钟频率的钴(Co)基非晶合金磁心，互感器的初级绕组N1为10匝。图6所示为输出电压Vo的波形，它存在着固有的零纹波，图中还示出了来自二相多谐振荡器的感应电压，其二个波形相差180°。对输出电压Vo的特性而言，可以观察到其小的纹波，该纹波是因为磁心的实际磁滞回线偏离了理想的矩形特性而产生的，故该纹波可通过优化选择磁心而降低。图7所示为静态I-V关系曲线。从此曲线可以看出该直流互感器能提供良好的线性特性和大的动态范围，而且其零电压误差可以通过图4中的偏置电压VB加以补偿。关于动态特性，图8示出了本文提出的直流互感器检测到的瞬时接通时的动态瞬时响应波形，同时将该数据所得曲线与使用阻抗电流分流器测得的数据曲线进行了比较，从中可见，该直流互感器具有优良的动态响应特性，同时可见该直流互感器的响应时间在3kHz时钟频率时为2μs。
5 小结
文章提出了一种为保证电路具有高线性度、高速响应和零纹波输出特性的直流互感器的设计原理，这种直流互感器的截止频率远高于时钟频率。检测结果表明，该直流互感器可以用于高速响应的功率电子设备。检测评估证明了在宽频率范围内，它的静态和动态特性都是令用户满意的。 |
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