CN102590580A - 一种对集成变压器励磁电感电流进行采样的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对集成变压器励磁电感电流进行采样的电路及方法，属于电力电子技术领域。集成变压器包括原边绕组、副边绕组、励磁电感、直流电阻、漏感；励磁电感、直流电阻、漏感依次串联连接，励磁电感并联在副边绕组的两端；采样电路包括串联连接的电阻和电容，所述集成变压器励磁电感电流的采样电路与集成变压器中励磁电感、直流电阻、漏感组成的串联电路并联连接。采用本发明的采样方法，测得电容电压与励磁电感电流呈线性比，线性比为直流电阻阻值。本发明所涉及的采样电路减小了低压大电流的场合中测量输出电流的损耗；采样电路结构简单，通过采样电路中电容上的电压可以实时地跟踪励磁电感电流的变化，直接地反映励磁电感电流的变化。

Description

一种对集成变压器励磁电感电流进行采样的电路及方法

技术领域

本发明涉及一种集成变压器励磁电感电流的采样电路及采样方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

信息产业的迅猛发展，不仅为电源行业提供了巨大的市场和快速发展的动力，同时也对电源装置的体积、重量、效率、输出动态性能以及系统的可靠性等提出了越来越高的要求。功率磁性元件广泛应用于电力电子装置中，它担负着磁能的传递、储存以及滤波和电气隔离等功能，占据了电源装置较大比例的体积。磁集成技术有利于磁性元件体积重量的减小、磁件损耗的降低，对变换器功率密度的提高和性能的改善有重要意义。其中将输出滤波电感集成在变压器中的倍流整流电路拓扑被广泛应用于电压调节模块(Voltage Regulator Module，VRM)等对功率密度要求高、低压大电流的场合。

电流采样是变换器实现电流闭环控制以及并联变换器实现均流的必要环节。电压调节模块要实现自适应电压定位也必须进行电流采样。传统的电流采样方法有串联电阻采样、功率管R_ds采样、电感直流电阻(DCR)采样和电流互感器采样等。但已有的这些方法都不能用于对集成了输出滤波电感的变压器励磁电感电流进行采样。对于集成变压器励磁电流的测量，传统的方法是在漏感之路串联电阻，用电阻电压反映励磁电感电流，这种方法测得的电阻电压因为包含了集成变压器副边绕组电流在电阻上产生的电压分量而不能直接测量励磁电感电流，同时这种方法增大了采集电路的附加损耗。因此研究一种可以应用于集成变压器励磁电感电流采样的电路具有很重要的理论意义和实用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种对集成变压器励磁电感电流进行采样的电路及方法。

本发明为实现解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种对集成变压器励磁电感电流进行采样的电路，所述集成变压器包括原边绕组、副边绕组、励磁电感、直流电阻、漏感，其中：励磁电感并联在副边绕组的两端，直流电阻的一端与励磁电感的电流流出端连接，直流电阻的另一端与漏感的一端连接，励磁电感的电流流入端和漏感的另一端构成集成变压器的输出端，所述采样电路由串联连接的电阻和电容构成，所述采样电路与集成变压器的输出端并联连接。

一种对集成变压器励磁电感电流进行采样的方法，所述集成变压器包括原边绕组、副边绕组、励磁电感、直流电阻、漏感，其中：励磁电感并联在副边绕组的两端，直流电阻的一端与励磁电感的电流流出端连接，直流电阻的另一端与漏感的一端连接，励磁电感的电流流入端和漏感的另一端构成集成变压器的输出端，所述采样方法为：在集成变压器的输出端并联一个采样电路，所述采样电路由串联连接的电阻和电容构成。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：减小了低压大电流的场合中测量输出电流的损耗；采样电路结构简单，通过采样电路中电容上的电压可以实时地跟踪励磁电感电流的变化，直接地反映励磁电感电流的变化。

附图说明

图1为集成变压器励磁电感电流采样电路的电路图。

图2为集成变压器漏感很小可忽略不计时，变压器副边绕组电流部分到采样电容电压的传递函数的幅频曲线。

图3为集成变压器漏感较大，考虑漏感时变压器副边绕组电流部分到采样电容电压的传递函数的幅频曲线。

图4为采样电容电压对励磁电感电流实时跟踪的波形图。

图中标号说明：1为集成变压器，2为集成变压器励磁电感电流采样电路，Tr为集成变压器，n_p为变压器原边绕组匝数，n_s为变压器副边绕组匝数，L_m为励磁电感，DCR为直流电阻，L_r为漏感，R为电阻，C为电容，v_C为电容C两端电压。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的集成变压器励磁电感电流的采样电路，集成变压器1包括：原边绕组、副边绕组、励磁电感L_m、直流电阻DCR、漏感L_r。励磁电感L_m、直流电阻DCR、漏感L_r依次串联连接。励磁电感L_m并联在副边绕组的两端。集成变压器励磁电感电流的采样电路2包括串联连接的电阻R和电容C。集成变压器励磁电感电流的采样电路2与励磁电感L_m、直流电阻DCR、漏感L_r组成的串联电路并联连接。n_p为变压器原边绕组匝数，n_s为变压器副边绕组匝数。称串联连接的电阻R和电容C为电阻-电容低通采样网络。集成变压器的原边与变换器连接，变换器给变压器原边提供在一个周期内正负伏秒积相等的矩形波电压。集成变压器副边绕组电流的频率即为变换器的开关频率。

下面结合图2-图4叙述集成变压器励磁电感电流采样电路的具体工作原理。在分析之前，作如下假设：①所有电感、电容均为理想元件；②变压器副边绕组两端电压波形为周期性的矩形波，并且一个开关周期内伏秒积为0；③副边绕组电流的频率远远大于电阻-电容采样网络的截止频率。

鉴于集成变压器的漏感感值的大小影响电容上的输出电压，下面分漏感很小和漏感很大两种情况分别阐述集成变压器励磁电感电流采样电路的工作原理。

1.变压器漏感很小，可忽略不计时：

根据基尔霍夫电压定律可以在频域中列出如下表达式：

$v_C\left(s\right)=\frac{1+s{L}_m/R_{L\_\mathrm{DC}}}{1+\mathrm{sRC}}\·i_m\left(s\right)\·R_{L\_\mathrm{DC}}+\frac{R_{L\_\mathrm{DC}}\·i_s\left(s\right)}{1+\mathrm{sRC}}---\left(1\right)$

其中，R_{L_DC}为直流电阻的阻值，i_m(s)励磁电感电流，i_s(s)为集成变压器副边绕组电流，R为电阻阻值，C为电容容值。

如果电阻-电容低通采样网络的电阻R和电容C满足以下关系式：

$R\·C=\frac{L_m}{R_{L\_\mathrm{DC}}}---\left(2\right)$

则公式(1)可以作如下简化：

$v_C\left(s\right)=i_m\left(s\right)\·R_{L\_\mathrm{DC}}+\frac{R_{L\_\mathrm{DC}}}{1+\mathrm{sRC}}\·i_s\left(s\right)---\left(3\right)$

其中，R_{L_DC}为直流电阻的阻值，i_m(s)励磁电感电流，i_s(s)为集成变压器副边绕组电流，R为电阻阻值，C为电容容值。

从公式(3)可以看出，电容电压包含了两个部分，一部分是需要采样的励磁电感电流信息，另一部分是副边绕组电流信息。

对于副边绕组电流部分的传递函数如下式所示：

$G_1\left(s\right)=\frac{1}{1+\mathrm{sRC}}---\left(4\right)$

其中，R为电阻阻值，C为电容容值。

副边绕组电流频率为开关频率，而电阻-电容采样网络相当于一个低通滤波器，通过对G₁(s)的幅频特性曲线(对应于附图2)进行分析，由于开关频率远远大于RC网络的截止频率，它对高频的副边绕组电流部分起到了很好的衰减作用。图2中f_s为副边绕组电流的频率，f_c为传递函数G₁(s)幅频特性曲线的极点，因此公式(3)可以近似地作进一步化简：

v_C(s)＝i_m(s)·R_{L_DC}                      (5)

其中，R_{L_DC}为直流电阻的阻值，i_m(s)励磁电感电流。

从以上分析可以看出，当变压器漏感很小可忽略不计时，电容电压和励磁电感电流近似成正比，比值为直流电阻的阻值，因此可以通过采样电容电压对励磁电感电流进行实时跟踪采样。

2.变压器漏感较大，考虑漏感时：

根据基尔霍夫电压定律可以在频域中列出如下表达式：

$v_C\left(s\right)=i_m\left(s\right)\·R_{L\_\mathrm{DC}}\·\frac{1+s(L_m+L_r)/R_{L\_\mathrm{DC}}}{1+\mathrm{sRC}}+i_s\left(s\right)\·R_{L\_\mathrm{DC}}\·\frac{1+s{L}_r/R_{L\_\mathrm{DC}}}{1+\mathrm{sRC}}---\left(6\right)$

其中，R_{L_DC}为直流电阻的阻值，i_m(s)励磁电感电流，i_s(s)为集成变压器副边绕组电流，L_m为励磁电感感值，L_r为漏感感值，R为电阻阻值，C为电容容值。

如果电阻-电容低通采样网络的电阻R和电容C满足以下关系式：

R·C＝(L_m+L_r)/R_{L_DC}    (7)

其中，R_{L_DC}为直流电阻的阻值，L_m为励磁电感感值，L_r为漏感感值，R为电阻阻值，C为电容容值。

则公式(6)可以作如下简化：

$v_C\left(s\right)=i_m\left(s\right)\·R_{L\_\mathrm{DC}}+i_s\left(s\right)\·R_{L\_\mathrm{DC}}\·\frac{1+{\mathrm{sL}}_r/R_{L\_\mathrm{DC}}}{1+\mathrm{sRC}}---\left(8\right)$

其中，R_{L_DC}为直流电阻的阻值，i_m(s)励磁电感电流，i_s(s)为集成变压器副边绕组电流，L_r为漏感感值，R为电阻阻值，C为电容容值。

从公式(8)可以看出，电容电压包含了两个部分，一部分是需要采样的励磁电感电流信息，另一部分是副边绕组电流信息。

对于副边绕组电流部分的传递函数如下式所示：

$G_2\left(s\right)=\frac{1+{\mathrm{sL}}_r/R_{L\_\mathrm{DC}}}{1+\mathrm{sRC}}---\left(9\right)$

其中，R_{L_DC}为直流电阻的阻值，L_r为漏感感值，R为电阻阻值，C为电容容值。

G₂(s)不再是之前的低通网络，它比G₁(s)多了一个零点，通过对G₂(s)幅频特性曲线(对应于附图3)分析，它对高频的副边绕组电流部分仍能起到较好的衰减作用，图3中f_s为副边绕组电流的频率，f_c为传递函数G₂(s)幅频特性曲线的极点，f_z为传递函数幅G₂(s)频特性曲线的零点。

因此公式(8)仍可以近似地作进一步化简：

v_C(s)＝i_m(s)·R_{L_DC}                      (10)

其中，R_{L_DC}为直流电阻的阻值，i_m(s)励磁电感电流。

从以上分析可以看出，当变压器漏感较大，不可忽略不计时，电容电压和励磁电感电流仍然近似成正比关系，比值为直流电阻的阻值，因此可以通过采样电容电压对励磁电感电流进行实时跟踪采样(对应于附图4)。

如图4所示，横坐标为时间，v_S为变压器副边绕组两端的电压，它是周期性的矩形波且正负伏秒积相等。其中t₀～t₁时副边绕组两端电压为v_A，副边绕组两端电压v_A为正值。t₁～t₂时副边绕组两端电压为v_B，副边绕组两端电压v_B为负值。i_m为励磁电感电流，v_C为电容两端电压。从图中可以看出电容电压和电感电流成线性比，电容电压能很好地跟踪励磁电感电流的变化。而在电压调节模块(VRM)等低压大电流的场合利用传统的测量方法，即在漏感支路串联电阻，用电阻电压来反映输出电流，电阻电压除了包括励磁电感电流在电阻上产生的电压分量，还包含了集成变压器副边绕组电流在电阻上产生的电压分量。可见传统测量方法在大电流场合不仅不能直接测量励磁电感电流，同时增加了采集电路的附加损耗。

综上所述，本方法采用的串联电阻电容测量电路减小了低压大电流的场合中测量输出电流的损耗，通过采样电容电压可以实时地跟踪励磁电感电流的变化，直接地反映励磁电感电流的变化。

Claims (2)

1.一种对集成变压器励磁电感电流进行采样的电路，所述集成变压器包括原边绕组、副边绕组、励磁电感、直流电阻、漏感，其中：励磁电感并联在副边绕组的两端，直流电阻的一端与励磁电感的电流流出端连接，直流电阻的另一端与漏感的一端连接，励磁电感的电流流入端和漏感的另一端构成集成变压器的输出端，其特征在于：所述采样电路由串联连接的电阻和电容构成，所述采样电路与集成变压器的输出端并联连接。

2.一种对集成变压器励磁电感电流进行采样的方法，所述集成变压器包括原边绕组、副边绕组、励磁电感、直流电阻、漏感，其中：副边绕组并联在励磁电感的两端，直流电阻的一端与励磁电感的电流流出端连接，直流电阻的另一端与漏感的一端连接，励磁电感的电流流入端和漏感的另一端构成集成变压器的输出端，其特征在于，所述采样方法为：在集成变压器的输出端并联一个采样电路，所述采样电路由串联连接的电阻和电容构成。

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