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） -凯发k8国际

曾  博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k_nnr 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 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 k_nnr. in a low level, it proves that k_nnr 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) 由式（1）表示：

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）和 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图 1 所示，工作磁感应强度的峰值 bpk 取决于 bdc+bac^[3]。

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：

       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

  由式（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：

  此时，电感量与 μm 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 μm 很大的铁芯材料，也不能增大电感。若不对铁芯开气隙，

  则式（6）可简化为：

  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，μm 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

       图 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、b 分别绕有相同n匝次级绕组，绕好次级绕组后的铁芯 a 和 b 叠加起来，次级绕组依次串联，初级绕组取 1 匝，同时穿过 a、b 铁芯。铁芯 a 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a、b的次级绕组，次级电流在磁环中产相反方向的磁场。

       当 n1×ip=n2×i2= n2×i3 时，铁芯 a 和 b 同时达到零磁通的平衡状态，此时铁芯 a、b 中的 bdc 近似为 0。此时，对于铁芯a，初级绕组电感由式（7）描述，由于气隙的存在，该电感量很小。而对于铁芯 b，初级绕组电感由式（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]。

  在式（8）中，取n为1，ac 为 1，mpl 为10cm，μm 为 20000，则 l 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，取 n2 为 2500 匝，当初级电流为 1000 a 时，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×高，单位 mm）的尺寸，开 1.5mm 气隙，并在气隙处安置霍尔传感器。铁芯 b 选用初始导磁率高的非晶铁芯，尺寸接近铁芯 a 即可，铁芯 b 直接绕上次级绕组即可。绕好次级绕组后的铁芯 a、b 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 3 所示。

       在上面的电路结构中，放大器 a1 用于向霍尔器件提供恒定的工作电流，放大器 a2 用于抵消霍尔器件的同相电压，由于同相端接地电位，当 a2 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。

  ih：霍尔器件的工作电流

霍尔器件的感应电压由下式表示：

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

取 ih 为 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 vh 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 4 所示。

  a3 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，a4 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 vh 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 5 所示，用 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]，交、直流测试采用安捷伦多用表 34401。

 直流大电流源分别输出 200a、400a、600a、800a 和 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 2 位有效数字。

表1  纹波对比表

tab.1 contrast table of ripple

       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 knnr≥1%，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] [日]松井邦彦.传感器应用技巧141例[m].北京： 科学出版社，2006.56~57

[3] [美] 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，2010，2： 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，2006，s1： 51~54

[8]  [日]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，1990，4： 34~38