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可飽和電感的設(shè)計(jì)案例分析

發(fā)布時(shí)間:2011-03-30 來源:電源網(wǎng)

中心議題:
  • 可飽和電感的基本物理特性
  • 可飽和電感的開關(guān)噪聲抑制作用
  • 可飽和電感在磁放大器穩(wěn)壓技術(shù)中的應(yīng)用

可飽和電感是一種磁滯回線矩形比高、起始磁導(dǎo)率高、矯頑力小、具有明顯磁飽和點(diǎn)的電感,在電子電路中常被當(dāng)作可控延時(shí)開關(guān)元件來使用。由于具有獨(dú)特的物理特性,可飽和電感在高頻開關(guān)電源的開關(guān)噪聲抑制技術(shù)及大電流輸出輔路穩(wěn)壓技術(shù)等方面也得到了日益廣泛的應(yīng)用。

可飽和電感的基本物理特性

圖1(a)和圖1(b)分別是普通鐵氧體電感和可飽和電感的磁滯回線。從兩者的對比中可以明顯看出可飽和電感具有高磁滯回線矩形比(Br/Bs)、高起始磁導(dǎo)率mi、低矯頑力Hc、明顯的磁飽和點(diǎn)(A,B)等特怔。此外,由圖1(b)還可以看出,可飽和電感的磁滯回線所包圍的面積狹小,所以可飽和電感的高頻磁滯損耗相應(yīng)也較小。由于可飽和電感通常是由微晶、非晶、坡莫合金等鐵磁性材料制造的,所以可飽和電感一般都具有很高的起始磁導(dǎo)率mi和很高的飽和磁感應(yīng)


強(qiáng)度Bs。由于物理特性上的差異,可飽和電感在應(yīng)用方面與普通鐵氧體電感有兩個顯著的不同之處:

(1)由于飽和磁場強(qiáng)度很小,所以可飽和電感的儲能能力很弱,不能被當(dāng)作儲能電感使用??娠柡碗姼械淖畲髢δ蹺m的理論值可由下式表示:
Em=m•H2•V/2                 (1)
式中:m:臨界飽和點(diǎn)磁導(dǎo)率;H:臨界飽和點(diǎn)磁場強(qiáng)度;V:磁性材料的有效體積。

(2)由于可飽和電感的起始磁導(dǎo)率高、磁阻小,電感系數(shù)和電感量都很大,在施加外部電壓時(shí),電感內(nèi)部起始電流增長緩慢,只有經(jīng)過DT的延時(shí)時(shí)間后,當(dāng)電感線圈中的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí),可飽和電感才會立即飽和,具有非常明顯的開關(guān)特性,因而在電路中常被當(dāng)作可控延時(shí)開關(guān)元件使用,可飽和電感的這種開關(guān)特性是普通鐵氧體電感所不具備的。
普通鐵氧體電感和可飽和電感在直流電壓Vdc作用下的電流強(qiáng)度I隨時(shí)間t變化的曲線如圖2(a)和圖2(b)所示。


可飽和電感的開關(guān)噪聲抑制作用

開關(guān)電源通常都工作在幾十千赫茲到幾百千赫茲的頻段內(nèi),電源次級側(cè)的整流二極管在高頻關(guān)斷過程中會流過較大的反向恢復(fù)電流,因此形成的電源導(dǎo)通尖峰噪聲是開關(guān)電源噪聲的重要組成部分。設(shè)法減小整流二極管的反向恢復(fù)電流,從而減小開關(guān)電源的傳導(dǎo)和輻射噪聲是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的一個重要方面。


在圖3(a)所示的正激電源電路中,當(dāng)初級功率管V1開始導(dǎo)通,次級整流二極管D1開始導(dǎo)通,D2開始截止時(shí),由于二極管PN結(jié)的電荷存儲效應(yīng),D2中流過了電流變化率di/dt很大的反向恢復(fù)尖峰電流i,致使V1、D1中也有相應(yīng)的尖峰電流流過,在漏感、線電感等因素的共同作用下會在電源輸出端產(chǎn)生高頻的導(dǎo)通噪聲。在D2上施加的反向電壓越大,D2的反向恢復(fù)時(shí)間越長,反向恢復(fù)電流變化率di/dt就越大,電源輸出噪聲也就越大。大的反向恢復(fù)尖峰電流,不僅會產(chǎn)生電源噪聲,也容易損壞整流器件。
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當(dāng)初級功率管V1開始截止,次級整流二極管D1開始截止,D2開始導(dǎo)通續(xù)流時(shí),由于同樣的原因,電源輸出端也會產(chǎn)生高頻關(guān)斷噪聲,關(guān)斷噪聲通常較導(dǎo)通噪聲小很多,一般不作為電源設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。

為了有效減小整流二極管的反向恢復(fù)電流、抑制反向恢復(fù)電流變化率,在電源設(shè)計(jì)中通常采取的措施有:選用無PN結(jié)電荷存儲效應(yīng)、反向恢復(fù)時(shí)間很短的肖特極二極管或選用反向恢復(fù)電流變化率小,具有軟恢復(fù)特性的整流二極管作為次級整流器件;在整流二極管兩端并入RC緩沖電路,或在整流二極管中串聯(lián)小電感以軟化開關(guān)電壓或反向恢復(fù)電流的變化率。由于可飽和電感具有電感系數(shù)大、容易飽和、儲能作用弱等特點(diǎn),所以非常適合作為限流電感串聯(lián)在整流二極管中,從而使整流二極管反向恢復(fù)電流的幅值及變化率都被限制在一個合理的范圍內(nèi)。

在圖3(b)所示電路中,當(dāng)V1開始導(dǎo)通,D1開始導(dǎo)通,D2開始截止時(shí),由于可飽和電感Ls的限流作用,D2中流過的反向恢復(fù)電流的幅值和變化率都會顯著減小,從而有效地抑制了高頻導(dǎo)通噪聲的產(chǎn)生。在二極管D2導(dǎo)通、關(guān)斷、導(dǎo)通的過程中,Ls中磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化如圖4所示。D2中的電流由正向電流、零電流、最大反向電流再到零電流的反向恢復(fù)過程中,Ls中相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度位于圖4中的A、B、C、D各點(diǎn)。在二極管D2續(xù)流導(dǎo)通后,相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將會由D點(diǎn)重新過渡到A點(diǎn)。在D2由截止變?yōu)閷?dǎo)通續(xù)流時(shí),由于Ls存在著導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間DT,這會影響D2的續(xù)流作用,并會在D2的負(fù)極產(chǎn)生負(fù)值尖峰電壓,在電路中增加輔助二極管D3及電阻R1,可以較好地解決這一問題。


可飽和電感在磁放大器穩(wěn)壓技術(shù)中的應(yīng)用

磁放大器穩(wěn)壓是利用可飽和電感導(dǎo)通延時(shí)的物理特性來控制開關(guān)電源的占空比和輸出功率,穩(wěn)定電源輸出電壓的一種方法。在可飽和電感上加上適當(dāng)?shù)牟蓸雍涂刂圃?,調(diào)節(jié)其導(dǎo)通延時(shí)的時(shí)間,就可以構(gòu)成最常見的磁放大器穩(wěn)壓電路。圖5是一個輸入為110Vac~220Vac/50HZ,輸出為5Vdc/20A,12Vdc/10A的雙管正激開關(guān)穩(wěn)壓電源,其中5V是主控回路。其輔路12V輸出電流較大,對穩(wěn)壓精度和負(fù)載穩(wěn)定度都有較高要求,采用普通的方法穩(wěn)壓效果都不是很理想,如果采用磁放大器穩(wěn)壓技術(shù)就可圓滿解決這一問題,使穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)簡單,耗散功率小,并可達(dá)到毫伏級的穩(wěn)壓精度。

110Vac~220Vac/50HZ輸入經(jīng)有源功率因數(shù)校正電路提升電壓后,輸出400Vdc的直流電壓加在功率模塊初級上,次級繞組N1輸出峰值為20V、占空比約為25%的方波電壓,次級繞組N2的輸出峰值電壓為50V。在加入磁放大器穩(wěn)壓電路前(圖5中虛線框部分),輔路12V處的輸出電壓V2»50V´0.25=12.5V,在5V滿載而12V空載時(shí),由于輔路沒有死負(fù)載放電回路,實(shí)際輸出電壓還會高得多。加入磁放大器穩(wěn)壓電路后,由于它的調(diào)節(jié)作用,輔路在任何負(fù)載條件下都可以得到理想的12V輸出電壓。下面分析磁放大器穩(wěn)壓電路的工作原理,穩(wěn)壓過程中可飽和電感Ls的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線仍可由圖4表示。

當(dāng)初級功率管V1和V2截止時(shí),次級二極管D1反向截止,二極管D2導(dǎo)通續(xù)流,儲能電感L1釋放能量,電源的輔路處于關(guān)斷狀態(tài),此時(shí),一個毫安級的小電流If經(jīng)Q1、D3流入可飽和電感Ls,在Ls中產(chǎn)生了附加磁感應(yīng)強(qiáng)度B0,B0位于磁滯回線的V點(diǎn)。在功率管V1和V2重新導(dǎo)通后,由于電感Ls的限流作用,D1中的電流只能緩慢增大,D2仍起著續(xù)流的作用,電源的輔路仍處于關(guān)斷狀態(tài)。只有在經(jīng)過DT的延時(shí)時(shí)間后,當(dāng)D1中的電流增加到了一定數(shù)值,Ls中的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS(A點(diǎn))時(shí),Ls才會立即飽和,D1中的電流迅速增加,D2迅速截止,儲能電感L1進(jìn)入儲能階段,電源的輔路進(jìn)入了導(dǎo)通狀態(tài)。


由上面的分析可知,由于可飽和電感Ls的插入,使得輔路的導(dǎo)通時(shí)間T´ON、占空比a´都較主回路小,通過對占空比a´的調(diào)節(jié)最終實(shí)現(xiàn)了輔路輸出穩(wěn)壓的目的。a´具有很大的調(diào)節(jié)范圍,在輔路完全空載時(shí),a´幾乎可以被調(diào)節(jié)至0,從而使輔路具有了很高的負(fù)載穩(wěn)定度和穩(wěn)壓精度。占空比a´可根據(jù)下式計(jì)算:
a´=T´ON/T=(TON-DT)/T            (2)
式中:TON:主回路的導(dǎo)通時(shí)間;T:電源的開關(guān)周期;DT:Ls的導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間。

可飽和電感的導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間DT由附加磁感應(yīng)強(qiáng)度B0、電流If等確定,B0、If由采樣控制電路根據(jù)輸出電壓的大小自動調(diào)節(jié)。DT由下式給出:
DT=N´Ae´(BS-B0)/Vin              (3)
式中:BS:可飽和電感的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度;  B0:介于±BS之間,由工作電流If確定;
Ae:可飽和電感的截面積;      N:可飽和電感的線圈匝數(shù);
Vin:加在可飽和電感兩端的電壓。

在B0=-BS時(shí),DT有最大值DTmax=2N´Ae´BS/Vin;在B0=Br時(shí),DT有最小值DTmin=N´Ae´(BS-Br)/Vin。If一般設(shè)計(jì)為幾十毫安,If的近似值由下式給出:
If»(HC-B0/mi)´lm/N              (4)
式中:HC:可飽和電感的矯頑力;mi:起始磁導(dǎo)率;lm:可飽和電感的等效磁路長度。

基于與正激電源輔路輸出穩(wěn)壓同樣的原理,由兩套磁放大器穩(wěn)壓電路就可以構(gòu)成推挽電源、橋式電源的輔路輸出穩(wěn)壓單元。此外,也可以由磁放大器方便地組成正反混激電源輔路輸出穩(wěn)壓單元等,在這里就不一一贅述。

本文介紹了可飽和電感的基本物理特性和可飽和電感的開關(guān)噪聲抑制作用,重點(diǎn)分析了磁放大器穩(wěn)壓電路的工作原理,并提出了幾個理論計(jì)算公式。在電源的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,由于供貨廠商通常都會提供可飽和電感和磁放大器的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式,所以實(shí)際設(shè)計(jì)工作還是比較簡單容易的。磁放大器穩(wěn)壓電路對于電路參數(shù)的要求并不是十分嚴(yán)格,在正常情況下都可以取得非常良好的穩(wěn)壓效果。
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