重庆大学电气工程学院课程设计

课程设计论文电容电流非侵入式采样法的分析与设计姓名：指导教师：学号：学院：电气工程学院班级：2015年1月电容电流非侵入式采样法的分析与设计I摘要本文介绍了一些常规的电流的采样方法，通过对电路原理、运算放大器、电容、电流采样和Buck电路相关知识的学习，针对常规电流采样法的不足，引出了非侵入式电容电流采样法，通过构建匹配网络测量电容电流。学习并使用频响分析仪（Venable）测量电容寄生参数，计算匹配网络参数，制作匹配网络电路板，并接入Buck主电路通过示波器观察电容电流与匹配网络电流的波形，重点探讨该方法在低频时的可行性，给出实验得到的具体波形，同时对其在高频工作状态时出现的问题加以简单的分析。关键字：电容电流，采样，非侵入式电容电流非侵入式采样法的分析与设计II摘要.............................................................................................................................I1引言..........................................................................................................................11.1电容电流的作用...............................................................................................................11.2电流采样的常见方法.......................................................................................................11.2.1串联电阻..............................................................................................................11.2.2串联电流互感器..................................................................................................11.3常见电流采样方式应用于采样电容电流时存在的缺陷...............................................22非侵入式电容电流采样原理..................................................................................32.1设计原理..........................................................................................................................32.2构建电路的参数计算.......................................................................................................43构建匹配网络..........................................................................................................63.1频率、运放增益等参数的确定.......................................................................................63.2电容outC与匹配电容sC的选取与寄生参数的测定.....................................................63.3检验构建电路的匹配情况...............................................................................................84构建网络的电流采集..............................................................................................94.1Buck电路简介..................................................................................................................94.1.1Buck电路基本结构..............................................................................................9...........94.1.2等效的电路模型及基本规律................................................................................94.2电流采集..........................................................................................................................94.3高频情况........................................................................................................................105结论及总结............................................................................................................14参考文献................................................................................................................15电容电流非侵入式采样法的分析与设计11引言1.1电容电流的作用众所周知，电容在电力系统中是提高功率因数的重要器件，在电子电路中是获得振荡、滤波、相移、旁路、耦合等作用的主要元件。此外，电容电流采样与控制也是提高开关功率变换器系统动态响应的重要途径。为此，本文拟探讨电容电流的一类新型的非侵入式采样方式，并结合具体电路进行分析与设计。1.2电流采样的常见方法1.2.1串联电阻如图1所示，在电容支路中串联一个定值电阻。由于电阻R与电容C是串联关系，在此支路两端加交流电压，流过C的电流与流过R的电流应该相等。同时电阻R的电压电流呈线性关系，所以可以通过测R两端的电压来得到电容电流的波形，电容电流的数值可通过欧姆定律计算。vi+-CRvi+-vi+-vo+图1RC串联电路1.2.2串联电流互感器电流互感器的模型如图2所示。电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。图2电流互感器电容电流非侵入式采样法的分析与设计21.3常见电流采样方式应用于采样电容电流时存在的缺陷串联电阻的测量方法原理及电路实现简单，但该方式存有缺陷：采样电阻和测量电阻电压的工具（如示波器等），并且它们的参数都不会是理想的，因此引入电容支路后会对原有的电容电流输出有一定的影响，纹波增大，同时其具体参数难以知晓，无法进行准确的修正。电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作,变压器变换的是电压而电流互感器变换的是电流，这就意味着电能通过一次绕组和二次绕组后一定存在衰减，从而使得结果不准确。如果频率较高时，会对输出影响很大。而且其体积很大，不易使用。综上，本文引入一个新的电容电流采样方法，即非侵入式电容电流采样。电容电流非侵入式采样法的分析与设计32非侵入式电容电流采样原理2.1设计原理实际电容的电流模型可以等效为一个RCL串联电路的模型（图3）图3RCL等效电路ESR和ESL分别是其寄生电阻和寄生电感，等效RCL电路的总阻抗为coutZ。如果可以构建另一个RCL电路，使其阻抗sZ为coutZ的n倍（n尽可能大），并且同相位，那么其电流nIICouts/，要做到同相并且阻抗成倍，需满足：sCoutZZn（1）seqcoutCRCESR（2）ssoutCLCESL（3）等式(1)保证构建的RCL电路阻抗为电容阻抗的n倍，等式(2)(3)保证原电容电流和构建的RCL电路电流同相位。这样就可以通过对构建的RCL电路电流采样来得到原电容电流。由于构建的RCL电路与电容电路是并联关系（非侵入式），且其阻抗相对于电容非常大，因此对原电容电路的影响很小。图4为理想状态下的电流关系图。电容电流非侵入式采样法的分析与设计4图4理想状态下的电流关系2.2构建电路的参数计算实际构建的RCL电流采集电路的基础是一个运算放大器，如图5所示图5实际的RCL电路运算放大器的开环增益为DCA，带宽为B，如图6。所以其输出比为:CoutscIVnRK1(4)运算放大器的对外阻抗特性表现为一个电阻（iR）和一个电感（iL）的串联，如图7所示。图7运放的对外特性图4理想状态下的电流关系同相电流成比例电容电流非侵入式采样法的分析与设计5如果将构建的电路看做为一个二端口网络，通过传递函数、电流电压关系以及运放的工作特性的计算，可以得到如下的参数关系：BRLs1(5)DCiARR1(6)ieqsRRR(7)通过对待测电容寄生参数的测量，匹配网络各元件的参数也可以随之确定。但是由于电容和其寄生电感的阻抗会随频率改变，从而使得匹配过程比较繁琐。由于是初步设计，在此我们只考虑固定低频率时的单点匹配，可以大大的简化实验过程。电容电流非侵入式采样法的分析与设计63构建匹配网络3.1频率、运放增益等参数的确定工作频率选择10kHz。由于电容的寄生电感很小，因而在低频时段其阻抗可以忽略，同时运算放大器也会工作于线性状态，就可以使匹配工作大大简化，只需满足：ESRnRs(8)outsCnC1(9)运算放大器采用AD823，特性图如图8图8AD823工作特性匹配网络与电容阻抗比n取100，运放的放大倍数1R取100，则运放输出后的增益由公式(4)可得，1cK。3.2电容outC与匹配电容sC的选取与寄生参数的测定电容outC取标称电容22F，sC取标称电容220Fn，使用Venable软件可以测得电容的阻抗-频率特性曲线。图9为待测电容outC的阻抗-频率特性曲线。电容电流非侵入式采样法的分析与设计7图9Cout的阻抗-频率特性曲线可以读图得到以下数据：在10kHz时，阻抗CoutZ=757.5m，相角Cout=-88.83°，寄生电阻ESR=15.43m。图10为匹配电容sC的阻抗-频率特性曲线。图10匹配电容CS的阻抗-频率特性曲线同样可以读出：在10kHz时，阻抗CZ=73.25，相角C=-89.3°，寄生电阻CR=896.3m所以匹配网络电阻CsRESRnR=0.64，考虑实际情况，选取0.66的电阻。电容电流非侵入式采样法的分析与设计83.3检验构建电路的匹配情况将构建的电路视作二端口网络，使用Venable软件测其