引言

在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，很重要的一項(xiàng)內(nèi)容是過載保護(hù)功能的設(shè)計(jì)，尤其是在空間領(lǐng)域，由于其高可靠、高風(fēng)險(xiǎn)、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(huì)因過熱而損壞。由于用電負(fù)載不同，對(duì)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(jì)過載保護(hù)就需要檢測(cè)電路中的電流，DC-DC轉(zhuǎn)換器的電流取樣可以直接檢測(cè)輸出回路的電流，例如次級(jí)整流回路的電流；也可以檢測(cè)初級(jí)回路的電流，例如流過功率MOSFET管的電流。

電流檢測(cè)的一般方式

電流檢測(cè)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(shí)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但損耗大，檢測(cè)信號(hào)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(cè)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(cè)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(gè)2W電阻的封裝對(duì)于模塊電源來說體積較大。

用霍爾元件雖然檢測(cè)精度較高，但成本、體積常常對(duì)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(cè)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(jí)電流流通時(shí)，磁芯中磁場(chǎng)逐漸增大；當(dāng)初級(jí)電流不再增加時(shí)，次級(jí)感應(yīng)電勢(shì)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(jí)線圈為1匝，次級(jí)匝數(shù)很多，這樣可以減小次級(jí)反射到初級(jí)的阻抗，以減小對(duì)初級(jí)的影響。

如果不考慮線圈電阻，則次級(jí)感應(yīng)電壓可以近似為電壓源，脈沖直流互感器的設(shè)計(jì)依據(jù)公式(1)：



式中：e2為次級(jí)感應(yīng)電壓，Ton為導(dǎo)通時(shí)間，N2為次級(jí)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(lì)磁電流im有如下關(guān)系式：



一般電流互感器初級(jí)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(cè)誤差為：

即電流互感器設(shè)計(jì)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(gè)電流回路，一個(gè)是輸入電容通過輸入電感充電回路，另一個(gè)是輸入電容通過變壓器初級(jí)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(cè)輸入電流的應(yīng)用電路如圖4所示。

下面推導(dǎo)互感器次級(jí)感應(yīng)電壓與輸入電流的關(guān)系。

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

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

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

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


電路仿真

作者用Saber-2005仿真軟件對(duì)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(zhǎng)為0.1A，從0A變化到4A。

測(cè)試數(shù)據(jù)

作者設(shè)計(jì)了一個(gè)開關(guān)電源，輸入互感器用MPP磁芯55045A2，初級(jí)而數(shù)22匝，次級(jí)匝數(shù)220匝，輸出電壓28V，輸出電流步長(zhǎng)為0.1 A，從0A變化到4A，輸出電流與互感器次級(jí)感應(yīng)電壓Vout的實(shí)測(cè)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(jì)方法，在電路應(yīng)用中可以省略單獨(dú)的電流互感器。當(dāng)然對(duì)于具體電路，其設(shè)計(jì)要依賴于輸入濾波電容的大小，因此對(duì)于一個(gè)具體的DC-DC轉(zhuǎn)換器，應(yīng)先設(shè)計(jì)輸入濾波電路，再設(shè)計(jì)該電流互感器。