for more product details, please call:0731-84930888






一种抑制直流大电流源纹波的新型方法(发表于《中国测试》2014 第 12 期) -龙8官网app下载地址

the author:  page views:469  release time:2015-09-18


  1  李刚1  韩帅1  邓志军2 姚兴茂2

1广西电网公司电力科学研究院  南宁  530023

2长沙天恒测控技术有限公司  长沙  410100

摘要提出了一种抑制直流大电流源纹波的新型方法该方法采用磁平衡式电流传感器始终维持电感铁芯直流磁通近似为0从而获得较高的电感值通过大电感产生大的交流阻抗可将纹抑制比控制在一个很低的水平通过实际测试采用该方法的大电流直流电流源纹波抑制比knnr 优于0.05%与传统lc滤波器相比该大电流直流滤波器具有体积小纹波抑制效果好等优点适合在可调精密大电流直流源应用

关键词 磁平衡式电流传感器  零磁通  纹波抑制  直流电感器

中图分类号tm933.12              文献标识码a

a novel method of ripple rejection for high dc current source

zeng bo1  li gang1  han shuai1  deng zhijun yao xingmao2

(1. guangxi power grid electric power research institute nanning 530023 china

2. changsha  tunkia  co.,ltd  410100  china)

abstract: a novel method of ripple rejection is proposed. zero-flux type current senor is applied on maintaining dc magnetic flux of inductor core approximately 0 in the method. the inductor of high inductance provides high ac impedance to control knnr. in a low level, it proves that knnr is at the level of 0.05% with the method under test. the method has the characteristics of smaller volume, better effect on ripple rejection than traditional lc filter , which is suitable for high adjustable precision dc current source.

keywords: zero-flux type current senor, zero flux condition, ripple rejection, dc inductor

1. 引言

   随着电动汽车等直流负载的飞速发展和广泛应用直流电能计量成为了电力计量的一个重要组成部分为了检定各种直流电能表需要开发稳定度高的可调节精密直流大电流源目前大电流电源通常采用开关电源实现开关电源的输出纹波由开关电源的储能电感和储能电容决定[1]由于需要输出大电流用于制作电感的绕线很粗导致匝数受限受电感铁芯导磁率和尺寸等方面的制约大的储能电感不易得到通常的开关电源由于纹波电流大会降低精密直流电流源输出稳定度而使之不能满足检定直流电能表的要求

  由于电感具有直流阻抗低交流阻抗大的特性利用大电感来抑制大电流直流电流源的纹波是一种非常有效的方式然而大电流直流源通常采用 igbt 等电力电子器件开关工作频率不能太高通常在 20khz 左右在这样的频率下若电感量太小对交流纹波的抑制作用也非常有限采用铁芯来提高电感量是一种有效的方式但是在大电流直流工作状态下为了避免铁芯饱和而必须在铁芯中引入气隙而这又限制了电感值的增大

  本文采用磁平衡式电流传感器提出了一种新的适用于直流大电流纹波抑制的方法设计了基于该方法的实现方案由于系统可以自动维持电感铁芯的直流零磁通工作状态充分利用了铁芯材料导磁率高的优点获得较大电感对大电流直流电流源纹波的抑制效果非常明显同时该方案还具有体积小的优点非常适合应用于精密直流电流源

2. 电流直流滤波电感器的工作原理

lc 滤波器是减少纹波和噪声的基本方法经过单级 lc 滤波后得到的电压峰峰值 vr(pp) 1表示

y1

vr(pp)lc 滤波器输出电压峰峰值

vin(pp)滤波前电压峰峰值

  从上式可以看出对于一定频率的纹波经过 lc 滤波输入纹波的抑制比由电感和电容的乘积决定电感越大对纹波的抑制作用越强

  为了增大电感通常在电感器的设计中引入铁芯[2]在设计电感器时需要根据要求决定 bdc直流磁场磁感应强度 bac交流磁场磁感应强度的最大值以使铁芯不发生磁饱和使其在给定体积下获得最大的电感量工作于直流滤波状态的电感器的工作点如下 所示工作磁感应强度的峰值 bpk 取决于 bdc+bac[3]

y2

t3

    y4

y5

y6

带有直流电流和空气气隙的铁芯电感器电感量可用下式表达

y7

       式中

               mpl等效磁路长度

          μm铁芯的最大磁导率

          n匝数

          ac铁芯截面积

          lg空气气隙长度

          idc直流电流

  由6可知电感量由匝数 n铁芯的截面积 ac等效磁路长度 mpl气隙磁路长度 lg 和最大导磁率 μm等因素决定为了避免铁芯饱和需要在铁芯中引入较大气隙使得上式简化为

y8

  此时电感量与 μ无关当用于大电流直流滤波情况时带气隙电感器电感值受到匝数铁芯截面积和气隙等因素的限制要做大电感比较困难而大容量的电容体积庞大且所能通过的纹波电流是有限的这两种方案都很难达到滤波器体积小和纹波抑制性能好的要求[4]

3. 新型大电流直流滤波方法

  从上面的分析可知大电流直流滤波器的电感由气隙长度决定即使使用 μ很大的铁芯材料也不能增大电感若不对铁芯开气隙

  则6可简化为

y9

  当用于大电流直流滤波时若能实现直流零磁通由于交流纹波相对较小μ通常很大可以达到几万[5]即使电感匝数为 1也很容易得到数十 μh 级的电感下面介绍基于铁芯直流零磁通的大电流直流滤波器的实现方法

3.1 系统设计

        2 是本文设计的基于零磁通的大电流直流滤波器系统框图系统包括铁芯 a铁芯 b霍尔传感器前置电路及伺服电流源电路等部分铁芯 a分别绕有相同n匝次级绕组绕好次级绕组后的铁芯  叠加起来次级绕组依次串联初级绕组取 同时穿过 a铁芯铁芯 开有气隙气隙处装有霍尔传感器用于检测零磁通状态当铁芯a中磁通不为零时霍尔传感器输出感应电压该电压控制伺服电流源产生输出电流当初级绕组通过直流大电流时电流在磁环内产生磁场霍尔传感器感应到磁场输出正比于磁场大小的感应电压该电压控制伺服电流源的输出电流电流依次流过铁芯ab的次级绕组次级电流在磁环中产相反方向的磁场

        n1×ip=n2×i2= n2×i铁芯  同时达到零磁通的平衡状态此时铁芯 a中的 bdc 近似为 0此时对于铁芯a初级绕组电感由7描述由于气隙的存在该电感量很小而对于铁芯 b初级绕组电感由8决定由于可以选择导磁率很高的材料铁芯材料该电感量较大因而对纹波电流有较强的抑制作用[6]

y10

  8n1a 1mpl 10cmμ 20000 可达 25μh应用于 1000a / 10v 的大直流电流源对于 20khz 的纹波可将 10mω 负载的纹波电流抑制到电源输出纹波的 0.3%由于电源输出纹波通常优于1%此时整个大电流直流电流源纹波噪声抑制比knnr将达到 0.003% 的水平

  为了满足以上设计 n 2500 当初级电流为 1000 a 次级电流为 400 ma这个电流输出用大电流运放比较容易实现铁芯a选择高频性能好的铁氧体铁芯铁芯上需要绕 2500 匝线圈采用 60×80×10内径×外径×单位 mm的尺寸 1.5mm 气隙并在气隙处安置霍尔传感器铁芯 选用初始导磁率高的非晶铁芯尺寸接近铁芯 即可铁芯 直接绕上次级绕组即可绕好次级绕组后的铁芯 a叠加起来次级绕组串联初级绕组同时穿过两个铁芯大电流直流滤波器的结构部分就制作完成了下面介绍霍尔电流传感器部分的实现方法

3.2 电路设计

3.2.1 霍尔传感器放大电路

       霍尔传感器是利用霍尔效应制成的磁-电转换器件目前采用霍尔传感器制作的高斯计可以达到 0.1gs 的分辨率因而可以用于检测铁芯中的零磁通状态[7]霍尔传感器工作时需要外界提供电流源置于磁场h中时在垂直于磁场方向和电流方向会产生感应电压即霍尔电压 vh本文采用的霍尔传感器工作及放大电路如图 所示

y11

       在上面的电路结构中放大器 a用于向霍尔器件提供恒定的工作电流放大器 a用于抵消霍尔器件的同相电压由于同相端接地电位 a正常工作时反相端也应当为地电位因此霍尔器件的另一个输出端得到以地电位为基准的霍尔电压 vh这使得后续的放大处理不需要使用差动放大器而霍尔器件的内阻也不会影响放大器的增益

y12

  ih霍尔器件的工作电流

霍尔器件的感应电压由下式表示

y13

vh以地电位为基准的霍尔电压

k霍尔传感器的灵敏度

h磁场强度

 i 2ma该霍尔传感器电路得到的灵敏度为 750mv / t

3.2.2 伺服电流源电路

       由于霍尔传感器工作在零磁通状态下当系统偏离零磁通状态时上述电路得到的 v极其微小必需使用伺服电流源才能将系统稳定到零磁通状态具体电路结构如下图 所示

y14

  a放大器构成积分器结构[8]相当于增益无穷大的电压放大器a放大器构成电压放大器其输出连接到滤波电感的绕组 n2当系统偏离零磁通状态时产生微弱的 v感应电压经过 rc 低通滤波器进行滤波后对积分器进行积分积分电压控制功率放大器的输出在铁芯中产生一个磁通的补偿电流直到系统平衡时得到一个稳定的积分电压值此时霍尔传感器起到了一个指示零磁通的作用系统的响应时间由rc时间常数决定选择合适的参数系统平衡建立的时间不超过 1μs

4. 新型大电流直流滤波模块性能测试

  大电流直流滤波电感器性能测试系统如图 所示 1000a 直流比较仪分别对加入大电流直流滤波模块前后的大电流源的纹波进行测试其中直流比较仪的输出选用 2.5ω 四线标准电阻[9]直流测试采用安捷伦多用表 34401

y15

 直流大电流源分别输出 200a400a600a800a  1000a通过纹波抑制模块前后 dc 值和纹波 ac 值如下表所示由于交流量相对直流量很小直流只取了 位有效数字

1  纹波对比表

tab.1 contrast table of ripple

量程

200a

400a

600a

800a

1000a

dc(v)

0.2

0.4

0.6

0.8

1

ac(1)(mv)

1.9

4.1

6.2

8.5

11

ac(mv)

0.096

0.205

0.308

0.428

0.556

ac(1)未引用纹波抑制模块测试的交流值ac经过纹波抑制模块测试的交流值

       从而可以根据11计算纹波抑制比 knnr

y16

       式中

           knnr纹波抑制比

      u~直流电压中的交流量

      u-直流电压中的直流量

      i~直流电流中的交流量

      i-直流电流中的直流量

  根据上表可计算出直流大电流源未加纹波抑制模块时 knnr1%加入纹波抑制模块后knnr<0.05%对于该直流大电流源本文设计的纹波抑制模块可将输入纹波抑制到 5% 左右这与 20khz 理论计算的 0.3% 还存在一定的差距但是已经完全满足应用的需求了

5. 结论

       应用本文设计的新型方法可有效抑制直流大电流源纹波大大提高了大电流源的稳定度该方法抑制纹波效果佳且可实现装置体积小与传统抑制纹波方法相比本方法具有低损耗低成本高效率和易控制等特点

                                                                                                                参考文献

[1] sanjaya maniktala. switch power supplies a to z[m].北京:人民邮电出版社2011.120~123

[2] []松井邦彦.传感器应用技巧141[m].北京 科学出版社2006.56~57

[3] [] colonel wmt mclyman.变压器与互感器设计手册[m].北京中国电力出版社2011.32~34

[4] 邵海明李之彬,王宝君,刘欣菊,林飞鹏,梁波,王昊.直流高压电源纹波测量装置[c].第四届全国电磁计量大会文集.桂林2007.89~92

[5] 同金马煜峰.直流电源输出的纹波和噪声的测量 [j].电子测试20102 41~43

[6] 王一丽朱剑平江习朱建刚.直流电源纹波和噪声测量方法[c].第四届全国电磁计量大会文集.桂林2007.96~97

[7] 王瑞峰米根锁.霍尔传感器在直流电流检测中的应用[j].仪器仪表学报2006s1 51~54

[8]  []冈村廸夫.op放大电路设计[m].北京:科学出版社2004.78~80[9]  范群国蒋丹魏克汛.直流电流比较仪比例误差的测量方法及理论分析[j].高电压技术19904 34~38


powered by © 2011-2013 inc.