CN114755478A - 一种逆变激磁型电流检测电路及电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变激磁型电流检测电路及电流检测方法，包括磁芯；缠绕于所述磁芯上副边线圈和补偿线圈；穿过所述磁芯的被测电流线等效于原边线圈；所述副边线圈与自激振荡电路连接，所述自激振荡电路基于磁通门原理实现所述被测电流检测；所述补偿线圈与补偿模块连接，构成电流补偿电路；所述补偿模块与所述自激振荡电路连接；所述电流补偿电路用于使所述磁芯维持零磁通状态。本发明提高了电流的检测精度和范围。

Description

一种逆变激磁型电流检测电路及电流检测方法

技术领域

本发明涉及电流传感器应用技术领域，特别是一种逆变激磁型电流检测电路及电流检测方法。

背景技术

电流传感器是一种检测装置，一般应用于电流的实际测量和保护系统中，如光伏、风电、电动汽车、智能电网等领域，电流传感器作为核心检测元件，在系统的安全稳定运行中发挥了至关重要的作用。

电流传感器根据是否存在反馈可分为开环电流传感器和闭环电流传感器两类。开环电流传感器具有结构简单、可靠性高、成本低等优点，但检测量程受限，易受磁滞和外界磁场影响，导致精度也低；闭环电流传感器的结构相对于开环电流传感器主要多了反馈线圈及其处理电路部分，例如基于电流互感器原理的闭环电流传感器，一定程度上提高了电流检测精度，但该技术无法检测直流信号。基于无磁芯的闭环电流传感器，大大降低了检测成本，但无磁芯没有聚磁作用，无法有效检测微弱磁场信号，检测精度不高。综上所述，开环电流传感器存在量程受限、易受磁滞和外界磁场影响、检测精度低等问题，而现有闭环电流传感器也存在量程窄、精度不够高、无法同时检测交直流电流、线性度低等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种逆变激磁型电流检测电路及电流检测方法，提高电流的检测精度，增大电流检测的量程。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电流检测电路，包括：

磁芯；

缠绕于所述磁芯上副边线圈；

穿过所述磁芯的被测电流线等效于原边线圈；

所述副边线圈与自激振荡电路连接，所述自激振荡电路基于磁通门原理实现所述被测电流检测；

所述自激振荡电路包括H桥电路；所述H桥电路包括两个并联的桥臂，每个桥臂包括串联的上开关管和下开关管，且同一时刻，每个桥臂仅有一个开关管导通；所述副边线圈一端接入其中一个桥臂的上开关管和下开关管之间，另一端接入另一个桥臂的上开关管和下开关管之间；第一桥臂的上开关管与第二桥臂的上开关管连接；第一桥臂的下开关管与第二桥臂的下开关管连接；第一桥臂的上开关管与第二桥臂的上开关管连接点接直流电源；第一桥臂的下开关管与第二桥臂的下开关管的连接点接电平翻转电路；第一桥臂的上开关管栅极、下开关管栅极均接入第二桥臂的上开关管与下开关管之间；第二桥臂的上开关管栅极、下开关管栅极均接入第一桥臂的上开关管与下开关管之间；所述电平翻转电路与可调电阻连接。

本发明的自激振荡电路基于磁通门原理，磁通门传感器具有高灵敏特性。电平翻转电路可以实现H桥电路电平的翻转，使磁芯来回饱和，进而实现磁通门调制。可调电阻的阻值可调，进而使回路电流增大，加快线圈补偿速度，从而减小自激振荡周期，提高了自激振荡和电流检测频率，进而可以检测更高频的电流。

本发明中，H桥电路是电力电子逆变电路的核心电路，此处用于自激振荡激磁功能，故称为逆变激磁。

优选地，所述磁芯为环形磁芯，采用软磁材料制成。环形磁芯为闭环磁芯，不存在气隙，无漏磁，不会产生漏磁误差。软磁材料具有高导磁率、低矫顽力、温漂小等优点，可进一步确保本发明的电路实现高精度电流检测。

所述磁芯上还缠绕有补偿线圈；所述补偿线圈与补偿模块连接，构成用于使所述磁芯维持零磁通状态的电流补偿电路；所述补偿模块与所述自激振荡电路连接。本发明采用了磁通门闭环结构，通过对原边线圈电流进行补偿，可扩大电流检测量程。

本发明中，第一桥臂的上开关管源极和第二桥臂的上开关管源极连接；第一桥臂的下开关管漏极和第二桥臂的下开关管漏极连接；第一桥臂的上开关管漏极与下开关管源极连接；第二桥臂的上开关管漏极与下开关管源极连接；所述直流电源接入所述第一桥臂的上开关管源极与第二桥臂的上开关管源极之间；所述副边线圈一端接入所述第一桥臂的上开关管漏极和下开关管源极之间，另一端接入第二桥臂的上开关管漏极和下开关管源极之间；所述电平翻转电路一端接入所述第一桥臂的下开关管漏极与第二桥臂的下开关管漏极之间，另一端接地。本发明中开关管的栅极接法，使得H桥不需要驱动和设置死区，开关管开通和关断由线路电压、电流即可决定。所述电平翻转电路包括第一开关管；所述第一开关管栅极与比较器输出端连接；所述比较器负输入端、第一开关管漏极均接地；所述比较器正输入端输入参考电压；所述第一开关管源极接入所述第一桥臂的下开关管与第二桥臂的下开关管之间。本发明的自激振荡电路采用了基于MOSFET的逆变电路，与传统桥式自激振荡电路相比，其不需要悬浮驱动和死区时间，不存在驱动延时，极大程度上减小了因驱动电路引起的测量误差。

副边线圈一端通过所述转换电阻接入所述第二桥臂的上开关管和下开关管之间；所述减法器正输入端接入所述副边线圈与所述转换电阻一端之间，所述减法器负输入端接所述转换电阻另一端；所述减法器输出端接低通滤波器；所述低通滤波器接比例运算电路正输入端；所述比例运算电路输出端接所述补偿线圈一端，所述补偿线圈另一端通过输出电阻接地。转换电阻、减法器、比例运算电路构成了本发明的补偿模块。当被测电流为0时，自激振荡电路开关管导通占空比为50％，转换电阻R_i上的电压经低通滤波后无输出，补偿线圈无电流，磁芯磁通为0；当被测电流不为零时，自激振荡电路开关管导通占空比增大或减小，不为50％，此时补偿线圈中将有电流出现，相应的在磁芯中产生补偿磁通，最终使补偿磁通抵消原边线圈的磁通，使磁芯磁通为0，自激振荡电路开关管导通占空比维持在50％附近。零磁通提高了测量的线性度，可以实现更大的动态范围，扩大了检测量程。

优选地，所述可调电阻包括两个支路，第一支路与第二支路并联；所述第一支路包括第一电阻；所述第二支路包括第二电阻，所述第二电阻与第二开关管连接。通过改变电阻阻值，可以改变回路电流大小，使磁环加速或者减速饱和，从而改变磁芯来回饱和一圈的时间，即改变了自激振荡电路自激振荡周期和频率，自激振荡频率增大或减小，因检测频率和自激振荡频率相等，故可检测的电流频率也相应增大或减小。本发明的可调电阻结构简单，控制可靠。

所述被测电流i_i与所述补偿线圈输出点电压U_o之间的关系式为：

其中，N_o为补偿线圈匝数，R_o为所述输出电阻阻值；所述补偿线圈输出点即补偿线圈与输出电阻的连接点。相比开环环节，本发明的闭环环节只需要测量输出电压U_o即可计算出被测电流，输出电压检测容易，且计算简单。

被测电流i_i与所述自激振荡电路的占空比D_p之间的关系式为：

其中，B_s为磁芯饱和磁感应强度，A_m为环形磁芯圆环面积，N_i为原边线圈匝数，N_d为直流副边线圈匝数，T为自激振荡时间周期，R_s为可调电阻阻值，R_i为转换电阻阻值。现有技术中，开环计算是基于磁滞回线中磁感应强度为零时刻的电流进行计算的，而磁感应强度为0时刻不易确定，相应的电流也就不易检测，容易出现误差。本发明根据自激振荡电路占空比计算被测电流，克服了现有技术磁感应强度为0时刻不易确定的缺陷，实现了被测电流的精确检测。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种电流检测方法，其利用下式计算被测电流i_i：

其中，B_s为磁芯饱和磁感应强度，A_m为环形磁芯圆环面积，N_i为原边线圈匝数，N_d为副边线圈匝数，T为自激振荡时间周期，R_s为自激振荡电路接地侧可调电阻阻值。

上述公式实现的是开环(未接入电流补偿电路时)检测，由于可调电阻的阻值可调，进而使回路电流增大，减小了自激振荡周期，提高了自激振荡和电流检测频率，进而可以检测更高频的电流。

为了扩大电流检测量程，本发明的磁芯上缠绕有补偿线圈；所述补偿线圈与补偿模块连接；所述补偿模块包括转换电阻和减法器；所述减法器正输入端接入所述副边线圈与所述转换电阻一端之间，所述减法器负输入端接所述转换电阻另一端；所述减法器输出端接低通滤波器；所述低通滤波器接比例运算电路正输入端；所述比例运算电路输出端接所述补偿线圈一端，所述补偿线圈另一端通过输出电阻接地；所述被测电流i_i与所述补偿线圈输出点电压U_o之间的关系式为：

其中，N_o为补偿线圈匝数，R_o为所述输出电阻阻值；所述补偿线圈输出点即补偿线圈与输出电阻的连接点。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用软磁材料，利用其高导磁率、低矫顽力实现电流高精度检测；采用基于H桥的自激振荡电路，实现了磁通门磁调制；采用了补偿线圈和比例运算电路，二者结合可实现闭环零磁通磁调制，提高了电流的检测精度和范围；采用了可调电阻，可调整电路自激振荡周期，从而改变电流检测频率。

附图说明

图1为本发明实施例1电路结构图；

图2为本发明实施例2电路结构图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种逆变激磁振荡型零磁通电流检测电路。该电路包含1个磁芯(本发明实施例采用环形磁芯)和1～2个线圈(即副边线圈，或者副边线圈和补偿线圈，原边线圈即被测电流线，被测电流线等效成原边线圈)，电路结构简单，且磁芯可为软磁材料，可实现电流的高精度检测。实施例1采用基于H桥的自激振荡电路，实现磁通门磁调制。实施例2引入了补偿线圈和比例运算电路，二者结合可实现闭环零磁通磁调制，提高了电流的检测精度和范围。综合上述即实现了闭环高精度宽量程检测周期可调的电流检测。

如图1所示，本发明实施例1的逆变激磁振荡型零磁通电流检测电路如下：

磁环仅包含一个环形磁芯，磁芯为软磁材料，具有高导磁率、低矫顽力等优点，可实现高精度电流检测。原边线圈即为穿过磁芯的被测电流线等效，一般匝数为1；副边线圈、补偿线圈依次缠绕在环形磁芯上，二者相结合可实现交直流电流的闭环零磁通调制，从而实现电流的高精度宽量程检测。

转换电阻R_i和减法器可将电流信号i_s转换成电压信号i_sR_i，转换电阻R_i阻值很小，对电路电流i_s大小几乎不造成影响。自激振荡电路采用的是基于MOSFET的H桥电路和一个开关管电路，H桥电路部分的Q₁、Q₂管是PMOS管，Q₃、Q₄管是NMOS管，每个MOS管都并联一个二极管，上下MOS管的栅极共同接在旁侧上下MOS管之间的中点，同一时刻上下管仅有一个管导通，当无外界条件干扰时，H桥导通管不变，故H桥电路相当于一个锁存器。开关管电路部分的Q₅(第一开关管)是NMOS管，通过比较器和驱动来驱动Q₅导通和关断，Q₅也并联有一个二极管，用于Q₅关断时进行续流，通过Q₅的开通关断，可实现H桥电路电平的翻转。

如图1所示，H桥电路包括两个并联的桥臂，每个桥臂包括串联的上开关管和下开关管。

第一桥臂的上开关管Q₁漏极和第一桥臂的下开关管Q₃源极连接；第二桥臂的上开关管Q₂漏极和第二桥臂的下开关管Q₄源极连接；第一桥臂的上开关管源极与第二桥臂的上开关管源极连接；第一桥臂的下开关管漏极与第二桥臂的下开关管漏极连接；第一桥臂的上开关管栅极、第一桥臂的下开关管栅极均接入第二桥臂的上开关管漏极和第二桥臂的下开关管源极之间；第二桥臂的上开关管栅极、第二桥臂的下开关管栅极均接入第一桥臂的上开关管漏极和第一桥臂的下开关管源极之间。直流电源VCC接入第一桥臂的上开关管源极与第二桥臂的上开关管源极之间。副边线圈N_d一端接入第一桥臂的上开关管漏极和第一桥臂的下开关管源极之间，另一端通过转换电阻R_i接入第二桥臂的上开关管漏极和第二桥臂的下开关管源极之间。

如图1所示，电平翻转电路包括第一开关管Q5；第一开关管栅极与比较器输出端连接；比较器负输入端、第一开关管漏极均接地；比较器正输入端输入参考电压；第一开关管源极接入所述第一桥臂的下开关管Q3与第二桥臂的下开关管Q4之间。

对于自激振荡电路，当电流检测电路供电后，Q₅导通，根据原边电流情况，Q₁、Q₄或Q₂、Q₃导通；假设此时Q₁、Q₄导通，则电路工作模态为：

模态1：电流从VCC经Q₁、直流副边线圈、转换电阻R_i、Q₄、Q₅和电阻R_s流向地，电流i_s为正，且不断增大，电阻R_s电压增大；

模态2：电阻R_s电压大于电压U_ref，比较器输出为负，Q₅关断，此时电流i_s为正，Q₁、Q₄关断，Q₂、Q₃导通，电流依次经过二极管VD2、VD3、VD5续流；

模态3：续流电流i_s为0，电流从VCC经Q₂、直流副边线圈、转换电阻R_i、Q₃、Q₅和电阻R_s流向地，电流i_s为负，且不断增大，电阻R_s电压增大；

模态4：电阻R_s电压大于电压U_ref，比较器输出为负，Q₅关断，此时电流i_s为负，Q₂、Q₃关断，Q₁、Q₄导通，电流依次经过二极管VD1、VD4、VD5续流，直至电流为0。

由此即完成了自激振荡过程。

如图1所示，可调电阻R_s包括电阻R_s0、R_s1和PMOS管Q₆(第二开关管)。PMOS管Q₆的G级(栅极)g₆外接MCU控制信号和驱动，通过指令实现PMOS管Q₆的开通闭合。所述可调电阻R_s，其通过PMOS管Q₆的开通闭合，实现电阻R_s阻值可调，进而使回路电流增大，加快线圈补偿速度，从而减小自激振荡周期，提高自激振荡和电流检测频率，进而可以检测更高频的电流。

如图2所示，本发明实施例2在实施例1的基础上，增加了电流补偿电路。电流补偿电路包括补偿线圈和补偿模块。可通过补偿线圈将磁通反馈回磁芯，实现磁芯零磁通调制。电流补偿电路的比例运算电路，起运算放大作用，可放大输出电压信号。电流补偿电路的闭环输出电阻R_o，其电阻电压U₀即为电流传感电路的输出信号，可通过该电压反推被测电流信号。

如图2所示，补偿模块包括转换电阻R_i和减法器。减法器正输入端接入副边线圈与转换电阻一端之间，减法器负输入端接转换电阻另一端。减法器输出端接低通滤波器。低通滤波器通过电阻Rp接运算放大器(运放)正输入端。运算放大器负输入端通过电阻R₁接地，运算放大器输出端通过反馈电阻Rf接负输入端。运算放大器输出端接补偿线圈一端，补偿线圈另一端通过输出电阻R₀接地。如图1和图2所示，自激振荡电路基于磁通门原理，交流检测可等效为若干直流进行检测。电路被测电流的计算式根据开环(图1)和闭环(图2)分为：

(1)被测电流与Q₁、Q₄导通占空比D_p相关，以直流电流检测为例，当被测电流为零时，Q₁、Q₄导通占空比D_p为50％，当被测电流不为0时，Q₁、Q₄导通占空比D_p发生变化，被测电流i_i与Q₁、Q₄导通占空比D_p公式近似为：

式中：B_s为磁芯饱和磁感应强度，A_m为环形磁芯圆环面积，N_i为原边线圈匝数，N_i＝1，N_d为直流副边线圈匝数，T为自激振荡时间周期，R_s为直流副边自激振荡电路接地侧可调电阻。

(2)本发明实施例2的逆变激磁振荡型零磁通电流检测电路引入补偿线圈，使磁芯维持零磁通状态，故Q₁、Q₄导通占空比D_p不变，维持在50％，故无法通过占空比D_p判断原边电流大小。因此，本发明通过闭环信号输出点电压U_o与被测电流i_i成正比这一关系计算被测电流，被测电流近似为：

式中：U_o为闭环信号输出点电压，N_o为补偿线圈匝数。

Claims (10)

1.一种逆变激磁型电流检测电路，其特征在于，包括：

磁芯；

缠绕于所述磁芯上副边线圈；

穿过所述磁芯的被测电流线等效于原边线圈；

所述副边线圈与自激振荡电路连接，所述自激振荡电路基于磁通门原理实现所述被测电流检测；

所述自激振荡电路包括H桥电路；所述H桥电路包括两个并联的桥臂，每个桥臂包括串联的上开关管和下开关管，且同一时刻，每个桥臂仅有一个开关管导通；所述副边线圈一端接入其中一个桥臂的上开关管和下开关管之间，另一端接入另一个桥臂的上开关管和下开关管之间；第一桥臂的上开关管与第二桥臂的上开关管连接；第一桥臂的下开关管与第二桥臂的下开关管连接；第一桥臂的上开关管与第二桥臂的上开关管连接点接直流电源；第一桥臂的下开关管与第二桥臂的下开关管的连接点接电平翻转电路；第一桥臂的上开关管栅极、下开关管栅极均接入第二桥臂的上开关管与下开关管之间；第二桥臂的上开关管栅极、下开关管栅极均接入第一桥臂的上开关管与下开关管之间；所述电平翻转电路与可调电阻连接；

优选地，所述磁芯为环形磁芯，采用软磁材料制成。

2.根据权利要求1所述的逆变激磁型电流检测电路，其特征在于，所述磁芯上还缠绕有补偿线圈；所述补偿线圈与补偿模块连接，构成用于使所述磁芯维持零磁通状态的电流补偿电路；所述补偿模块与所述自激振荡电路连接。

3.根据权利要求1所述的逆变激磁型电流检测电路，其特征在于，所述第一桥臂的上开关管源极和第二桥臂的上开关管源极连接；第一桥臂的下开关管漏极和第二桥臂的下开关管漏极连接；第一桥臂的上开关管漏极与下开关管源极连接；第二桥臂的上开关管漏极与下开关管源极连接；所述直流电源接入所述第一桥臂的上开关管源极与第二桥臂的上开关管源极之间；所述副边线圈一端接入所述第一桥臂的上开关管漏极和下开关管源极之间，另一端接入第二桥臂的上开关管漏极和下开关管源极之间；所述电平翻转电路一端接入所述第一桥臂的下开关管漏极与第二桥臂的下开关管漏极之间，另一端接地。

4.根据权利要求3所述的逆变激磁型电流检测电路，其特征在于，所述电平翻转电路包括第一开关管；所述第一开关管栅极与比较器输出端连接；所述比较器负输入端、第一开关管漏极均接地；所述比较器正输入端输入参考电压；所述第一开关管源极接入所述第一桥臂的下开关管与第二桥臂的下开关管之间。

5.根据权利要求4所述的逆变激磁型电流检测电路，其特征在于，副边线圈一端通过所述转换电阻接入所述第二桥臂的上开关管和下开关管之间；所述减法器正输入端接入所述副边线圈与所述转换电阻一端之间，所述减法器负输入端接所述转换电阻另一端；所述减法器输出端接低通滤波器；所述低通滤波器接比例运算电路正输入端；所述比例运算电路输出端接所述补偿线圈一端，所述补偿线圈另一端通过输出电阻接地。

6.根据权利要求5所述的逆变激磁型电流检测电路，其特征在于，被测电流i_i与所述补偿线圈输出点电压U_o之间的关系式为：

其中，N_o为补偿线圈匝数，R_o为所述输出电阻阻值；所述补偿线圈输出点即补偿线圈与输出电阻的连接点。

7.根据权利要求1所述的逆变激磁型电流检测电路，其特征在于，所述可调电阻包括两个支路，第一支路与第二支路并联；所述第一支路包括第一电阻；所述第二支路包括第二电阻，所述第二电阻与第二开关管连接。

8.根据权利要求7所述的逆变激磁型电流检测电路，其特征在于，被测电流i_i与所述自激振荡电路的占空比D_p之间的关系式为：

其中，B_s为磁芯饱和磁感应强度，A_m为环形磁芯圆环面积，N_i为原边线圈匝数，N_d为直流副边线圈匝数，T为自激振荡时间周期，R_s为可调电阻阻值，R_i为转换电阻阻值。

9.一种利用权利要求1～8之一所述逆变激磁型电流检测电路实现电流检测的方法，其特征在于，利用下式计算被测电流i_i：

其中，B_s为磁芯饱和磁感应强度，A_m为环形磁芯圆环面积，N_i为原边线圈匝数，N_d为副边线圈匝数，T为自激振荡时间周期，R_s为自激振荡电路接地侧可调电阻阻值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述被测电流i_i与所述补偿线圈输出点电压U_o之间的关系式为：

其中，N_o为补偿线圈匝数，R_o为所述输出电阻阻值；所述补偿线圈输出点即补偿线圈与输出电阻的连接点。

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