長沙天恒測控技有限公司
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閱讀：43發(fā)布時間：2025-12-24
曾 博1 李剛1 韓帥1 鄧志軍2 姚興茂2
（1廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院 南寧 530023）
（2長沙天恒測控技術(shù)有限公司 長沙 410100）
摘要：提出了一種抑制直流大電流源紋波的新型方法，該方法采用磁平衡式電流傳感器，始終維持電感鐵芯直流磁通近似為0，從而獲得較高的電感值，通過大電感產(chǎn)生大的交流阻抗，可將紋抑制比控制在一個很低的水平。通過實際測試，采用該方法的大電流直流電流源紋波抑制比KNNR 優(yōu)于0.05%，與傳統(tǒng)LC濾波器相比，該大電流直流濾波器具有體積小、紋波抑制效果好等優(yōu)點，適合在可調(diào)精密大電流直流源應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 磁平衡式電流傳感器 零磁通 紋波抑制 直流電感器
中圖分類號：TM933.12 文獻標(biāo)識碼：A
A Novel Method of Ripple Rejection for High DC Current Source
Zeng Bo1 Li Gang1 Han Shuai1 Deng Zhijun2 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
隨著電動汽車等直流負(fù)載的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，直流電能計量成為了電力計量的一個重要組成部分，為了檢定各種直流電能表，需要開發(fā)穩(wěn)定度高的可調(diào)節(jié)精密直流大電流源。目前，大電流電源通常采用開關(guān)電源實現(xiàn)，開關(guān)電源的輸出紋波由開關(guān)電源的儲能電感和儲能電容決定[1]。由于需要輸出大電流，用于制作電感的繞線很粗，導(dǎo)致匝數(shù)受限，受電感鐵芯導(dǎo)磁率和尺寸等方面的制約，大的儲能電感不易得到。通常的開關(guān)電源由于紋波電流大，會降低精密直流電流源輸出穩(wěn)定度，而使之不能滿足檢定直流電能表的要求。
由于電感具有直流阻抗低，交流阻抗大的特性，利用大電感來抑制大電流直流電流源的紋波是一種非常有效的方式。然而，大電流直流源通常采用 IGBT 等電力電子器件，開關(guān)工作頻率不能太高，通常在 20kHz 左右，在這樣的頻率下，若電感量太小對交流紋波的抑制作用也非常有限。采用鐵芯來提高電感量是一種有效的方式，但是，在大電流直流工作狀態(tài)下，為了避免鐵芯飽和而必須在鐵芯中引入氣隙，而這又限制了電感值的增大。
本文采用磁平衡式電流傳感器，提出了一種新的適用于直流大電流紋波抑制的方法，設(shè)計了基于該方法的實現(xiàn)方案。由于系統(tǒng)可以自動維持電感鐵芯的直流零磁通工作狀態(tài)，充分利用了鐵芯材料導(dǎo)磁率高的優(yōu)點，獲得較大電感，對大電流直流電流源紋波的抑制效果非常明顯。同時，該方案還具有體積小的優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于精密直流電流源。
2. 電流直流濾波電感器的工作原理
LC 濾波器是減少紋波和噪聲的基本方法，經(jīng)過單級 LC 濾波后得到的電壓峰峰值 Vr(pp) 由式（1）表示：
Vr(pp)：LC 濾波器輸出電壓峰峰值
Vin(pp)：濾波前電壓峰峰值
從上式可以看出，對于一定頻率的紋波，經(jīng)過 LC 濾波，輸入紋波的抑制比由電感和電容的乘積決定，電感越大，對紋波的抑制作用越強。
為了增大電感，通常在電感器的設(shè)計中引入鐵芯[2]，在設(shè)計電感器時，需要根據(jù)要求決定 BDC（直流磁場磁感應(yīng)強度）和 BAC（交流磁場磁感應(yīng)強度）的值，以使鐵芯不發(fā)生磁飽和，使其在給定體積下獲得的電感量。工作于直流濾波狀態(tài)的電感器的工作點如下圖 1 所示，工作磁感應(yīng)強度的峰值 Bpk 取決于 BDC+BAC[3]。
帶有直流電流和空氣氣隙的鐵芯電感器電感量可用下式表達：
式中：
MPL：等效磁路長度
μm：鐵芯的磁導(dǎo)率
N：匝數(shù)
AC：鐵芯截面積
lg：空氣氣隙長度
IDC：直流電流
由式（6）可知，電感量由匝數(shù) N、鐵芯的截面積 AC、等效磁路長度 MPL、氣隙磁路長度 lg 和導(dǎo)磁率 μm等因素決定，為了避免鐵芯飽和，需要在鐵芯中引入較大氣隙，使得上式簡化為：
此時，電感量與 μm 無關(guān)。當(dāng)用于大電流直流濾波情況時，帶氣隙電感器，電感值受到匝數(shù)、鐵芯截面積和氣隙等因素的限制，要做大電感比較困難。而大容量的電容體積龐大，且所能通過的紋波電流是有限的。這兩種方案都很難達到濾波器體積小和紋波抑制性能好的要求[4]。
3. 新型大電流直流濾波方法
從上面的分析可知，大電流直流濾波器的電感由氣隙長度決定，即使使用 μm 很大的鐵芯材料，也不能增大電感。若不對鐵芯開氣隙，
則式（6）可簡化為：
當(dāng)用于大電流直流濾波時，若能實現(xiàn)直流零磁通，由于交流紋波相對較小，μm 通常很大，可以達到幾萬[5]。即使電感匝數(shù)為 1，也很容易得到數(shù)十 μH 級的電感，下面介紹基于鐵芯直流零磁通的大電流直流濾波器的實現(xiàn)方法。
3.1 系統(tǒng)設(shè)計
圖 2 是本文設(shè)計的基于零磁通的大電流直流濾波器系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)包括鐵芯 A、鐵芯 B、霍爾傳感器、前置電路及伺服電流源電路等部分。鐵芯 A、B 分別繞有相同N匝次級繞組，繞好次級繞組后的鐵芯 A 和 B 疊加起來，次級繞組依次串聯(lián)，初級繞組取 1 匝，同時穿過 A、B 鐵芯。鐵芯 A 開有氣隙，氣隙處裝有霍爾傳感器，用于檢測零磁通狀態(tài)。當(dāng)鐵芯A中磁通不為零時，霍爾傳感器輸出感應(yīng)電壓，該電壓控制伺服電流源產(chǎn)生輸出電流。當(dāng)初級繞組通過直流大電流時，電流在磁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生磁場，霍爾傳感器感應(yīng)到磁場，輸出正比于磁場大小的感應(yīng)電壓。該電壓控制伺服電流源的輸出電流，電流依次流過鐵芯A、B的次級繞組，次級電流在磁環(huán)中產(chǎn)相反方向的磁場。
當(dāng) N1×Ip=N2×I2= N2×I3 時，鐵芯 A 和 B 同時達到零磁通的平衡狀態(tài)，此時鐵芯 A、B 中的 BDC 近似為 0。此時，對于鐵芯A，初級繞組電感由式（7）描述，由于氣隙的存在，該電感量很小。而對于鐵芯 B，初級繞組電感由式（8）決定，由于可以選擇導(dǎo)磁率很高的材料鐵芯材料，該電感量較大，因而對紋波電流有較強的抑制作用[6]。
在式（8）中，取N為1，AC 為 1，MPL 為10cm，μm 為 20000，則 L 可達 25μH，應(yīng)用于 1000A / 10V 的大直流電流源。對于 20kHz 的紋波，可將 10mΩ 負(fù)載的紋波電流抑制到電源輸出紋波的 0.3%，由于電源輸出紋波通常優(yōu)于1%，此時整個大電流直流電流源紋波噪聲抑制比KNNR將達到 0.003% 的水平。
為了滿足以上設(shè)計，取 N2 為 2500 匝，當(dāng)初級電流為 1000 A 時，次級電流為 400 mA，這個電流輸出用大電流運放比較容易實現(xiàn)。鐵芯A選擇高頻性能好的鐵氧體鐵芯，鐵芯上需要繞 2500 匝線圈，采用 60×80×10（內(nèi)徑×外徑×高，單位 mm）的尺寸，開 1.5mm 氣隙，并在氣隙處安置霍爾傳感器。鐵芯 B 選用初始導(dǎo)磁率高的非晶鐵芯，尺寸接近鐵芯 A 即可，鐵芯 B 直接繞上次級繞組即可。繞好次級繞組后的鐵芯 A、B 疊加起來，次級繞組串聯(lián)，初級繞組同時穿過兩個鐵芯，大電流直流濾波器的結(jié)構(gòu)部分就制作完成了。下面介紹霍爾電流傳感器部分的實現(xiàn)方法。
3.2 電路設(shè)計
3.2.1 霍爾傳感器放大電路
霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的磁-電轉(zhuǎn)換器件，目前，采用霍爾傳感器制作的高斯計可以達到 0.1Gs 的分辨率，因而可以用于檢測鐵芯中的零磁通狀態(tài)[7]。霍爾傳感器工作時需要外界提供電流源，置于磁場H中時，在垂直于磁場方向和電流方向會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，即霍爾電壓 VH，本文采用的霍爾傳感器工作及放大電路如圖 3 所示。
在上面的電路結(jié)構(gòu)中，放大器 A1 用于向霍爾器件提供恒定的工作電流，放大器 A2 用于抵消霍爾器件的同相電壓，由于同相端接地電位，當(dāng) A2 正常工作時，反相端也應(yīng)當(dāng)為地電位，因此霍爾器件的另一個輸出端得到以地電位為基準(zhǔn)的霍爾電壓 VH，這使得后續(xù)的放大處理不需要使用差動放大器，而霍爾器件的內(nèi)阻也不會影響放大器的增益。
IH：霍爾器件的工作電流
霍爾器件的感應(yīng)電壓由下式表示：
VH：以地電位為基準(zhǔn)的霍爾電壓
K：霍爾傳感器的靈敏度
H：磁場強度
取 IH 為 2mA，該霍爾傳感器電路得到的靈敏度為 750mV / T。
3.2.2 伺服電流源電路
由于霍爾傳感器工作在零磁通狀態(tài)下，當(dāng)系統(tǒng)偏離零磁通狀態(tài)時，上述電路得到的 VH 極其微小，必需使用伺服電流源才能將系統(tǒng)穩(wěn)定到零磁通狀態(tài)，具體電路結(jié)構(gòu)如下圖 4 所示。
A3 放大器構(gòu)成積分器結(jié)構(gòu)[8]，相當(dāng)于增益無窮大的電壓放大器，A4 放大器構(gòu)成電壓放大器，其輸出連接到濾波電感的繞組 N2。當(dāng)系統(tǒng)偏離零磁通狀態(tài)時，產(chǎn)生微弱的 VH 感應(yīng)電壓，經(jīng)過 RC 低通濾波器進行濾波后，對積分器進行積分。積分電壓控制功率放大器的輸出，在鐵芯中產(chǎn)生一個磁通的補償電流，直到系統(tǒng)平衡時，得到一個穩(wěn)定的積分電壓值。此時，霍爾傳感器起到了一個指示零磁通的作用。系統(tǒng)的響應(yīng)時間由RC時間常數(shù)決定，選擇合適的參數(shù)，系統(tǒng)平衡建立的時間不超過 1μs。
4. 新型大電流直流濾波模塊性能測試
大電流直流濾波電感器性能測試系統(tǒng)如圖 5 所示，用 1000A 直流比較儀分別對加入大電流直流濾波模塊前后的大電流源的紋波進行測試，其中直流比較儀的輸出選用 2.5Ω 四線標(biāo)準(zhǔn)電阻[9]，交、直流測試采用安捷倫多用表 34401。
直流大電流源分別輸出 200A、400A、600A、800A 和 1000A，通過紋波抑制模塊前后 DC 值和紋波 AC 值如下表所示，由于交流量相對直流量很小，直流只取了 2 位有效數(shù)字。
表1 紋波對比表
Tab.1 Contrast table of ripple
式中：
KNNR：紋波抑制比
U~：直流電壓中的交流量
U-：直流電壓中的直流量
I~：直流電流中的交流量
I-：直流電流中的直流量
根據(jù)上表可計算出，直流大電流源未加紋波抑制模塊時 KNNR≥1%，加入紋波抑制模塊后，KNNR<0.05%。對于該直流大電流源，本文設(shè)計的紋波抑制模塊可將輸入紋波抑制到 5% 左右，這與 20kHz 理論計算的 0.3% 還存在一定的差距，但是已經(jīng)滿足應(yīng)用的需求了。
5. 結(jié)論
應(yīng)用本文設(shè)計的新型方法，可有效抑制直流大電流源紋波，大大提高了大電流源的穩(wěn)定度。該方法抑制紋波效果佳，且可實現(xiàn)裝置體積小。與傳統(tǒng)抑制紋波方法相比，本方法具有低損耗、低成本、高效率和易控制等特點。
參考文獻
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