电流互感器VS电压变压器

Sleep_xz

设计一个电流互感器。使用电流互感器可以减小测量变换器原边电流时的损耗，比如大功率开关电源，由于电流过大所以需要使用电流互感线圈来监测电流以减少损耗。
, t& [- X% y) E/ h
电流互感器与一般的电压变压器的区别在什么地方呢?这个问题即使是资深的磁性元件设计人员也很难回答。基本的区别在于：变压器试图把电压从原边变换到副边，而电流互感器试图把电流从原边变换到副边。电流互感器的电压大小由负载决定。
) {5 D# G$ P% R/ P( g7 |
* J; t8 M! v6 g- j' M6 Y我们通过一个实际的设计例子，可以更好地理解电流互感器的工作原理。
* {8 b: p) a+ P0 A2 M# W
假设用电流互感器测量变换器的原边电流，原边 10A 电流对应 1V 电压。当然，我们可以用一个 1V/10A=100mΩ的电阻来测量，但是电阻将造成的损耗为 1V×10A=10W，这么大的损耗对几乎所有的设计来说都是不能接受的。所以，要选用电流互感器，如图 1 所示。
$ O1 Z2 V( Q2 [# z% x

4 f- B. X4 J( K. \* u) S1 q

' j& k% }8 Y+ t7 H
1 S( D6 q2 |3 t1 T' p/ _当然，为了减少绕组电阻，我们把原边的匝数取为 1 匝，同时为了使电流降到一个比较低的水平，副边匝数应该比较多。如果副边匝数为 N，由欧姆定律可得(10/N)R=1V，在电阻中消耗的功率为 P=(1V)^2/R。我们假设消耗的功率为 50mW(也就是说，我们可以使用 100mW 规格的电阻)，这就要求 R 不得小于 20Ω，如果采用 20Ω的电阻，由欧姆定律可得副边匝数 N=200。

现在我们来看磁芯，假设二极管是普通的一般的二极管，通态电压大约为 1V，电流为 10A/200=50mA。互感器输出电压为 1V，加上二极管的通态电压 1V，总电压大约 2V。250kHz 频率工作时，磁芯上的磁感应强度不会超过其中 4us 为一个周期的时间，实际肯定是不到一个周期的。

1 C; x0 l; s: Z* v2 \6 h$ V

由于原边流过电流的时间不可能超过开关周期(否则，磁芯无法复位)。因此 Ae 可以很小，而 B 也不会很大。这个例子里磁芯的尺寸不能通过损耗要求或磁通饱和要求来确定，更大的可能是由原副边之间的隔离电压来确定。如果隔离电压没有要求，磁芯的大小一般由 200 匝的绕组所占体积来确定。你可以用 40 号的导线流过 500mA 的峰值电流，但是这种导线实在太细，一般的变压器厂家不会为你绕制。

实用提示 除非一定要用，一般情况下不要使用规格小于 36 号线的导线。
; W$ X' m+ t+ H" e' \. Z5 G

; l( A' M6 ?. C! D3 h. Q' i
  b1 \) s/ J& k- |2 n现在我们来分析为什么不能用电压变压器来替代电流互感器?已经知道副边电压只有 2V，因此原边电压为 2V/200=100mV。如果输入直流电压为 48V，那么电流互感器原边 10mV 电压对 48V 电压来说是微不足道的——那样你可以在副边得到 50mA 的电流，而对原边几乎没有什么影响。假设另一种情况(不现实的)，原边的输入直流电压只有 5mV，那么互感器的原边不可能有 10mV 的电压，同时由于原边阻抗(如反射副边阻抗)也比较大，决定了副边根本不可能产生 50mA 的电流。即使整个 5mV 电压全部加在原边，副边也只能产生 200×5mV=1V 的电压：不能在转换电阻上产生足够的电压。因此，电压变压器只能用作变压器，不能用来检测电流。

$ e& T. H: b% y从另外一个角度来看：虽然输入电源的电压为 48V 时，但是流过电流互感器电流的大小不是由原边的这个 48V 电压决定的，而是其他因素决定的。
/ J- ~; @' Z# w  L% a: E
9 g$ z$ N- F  w; m$ p电流互感器是有阻抗限制的电压变压器。

最后，我们来看一下电流互感器的误差情况怎么样?答案在于电流互感器的基本定义上：感应的是电流。
! H* @3 ~7 @6 s. w4 d+ j% `: W
+ D! }* H, p% `5 K3 ?# Q实用提示 电流互感中的二极管和副边绕组的电阻不会影响电流的测量，因为(只要阻抗不是无穷大)串联电路中电流处处相等，与串联的元件无关。
6 N1 l6 d- n1 k0 R- \8 Q
) x8 y, i% }6 ~, i; r实际工作中，是不是使用肖特基二极管作为整流二极管是没有关系的：二极管的低通态电压只影响变压器，不会影响电流互感器。

如果互感器副边的电感太小，测量误差将会增大。也就是激磁电感太小，假设我们要求测量电流的最大误差为 1%，原边电流为 10A，那么副边电流就是 50mA，这就意味着要求激磁电流(副边)应该小于 50mA×1%=500μA。激磁电流没有流过转换电阻，我们也无法检测到这个电流，这样误差就增大了。我们可以算出副边电感的最小值。

# L4 I+ V1 C! z, p8 L" q1 V% k