飽和電感及其在開關(guān)電源中的應(yīng)用
摘 要：介紹了飽和電感的分類及其基本物理特性，總結(jié)了可飽和電感在尖峰抑制器、磁放大器、移相全橋ZVS-PWM變換器、諧振變換器和逆變電源中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：可飽和電感；尖峰抑制器；磁放大器；移相全橋；諧振變換器；逆變電源
引言
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。由于其獨(dú)特的物理特性，使之在高頻開關(guān)電源的開關(guān)噪聲抑制，大電流輸出輔路穩(wěn)壓，移相全橋變換器，諧振變換器及逆變電源等方面得到了日益廣泛的應(yīng)用。
1飽和電感的分類及其物理特性[1]
1.1飽和電感的分類
飽和電感可分為自飽和和可控飽和二類。
1.1.1自飽和電感（Saturableinductor）
其電感量隨通過的電流大小可變。若鐵心磁特性是理想的（例如呈矩形），如圖1（a）所示，則飽和電感工作時(shí)，類似于一個(gè)“開關(guān)”，即繞組中的電流小時(shí)，鐵心不飽和，繞組電感很大，相當(dāng)于“開路”；繞組中電流大時(shí)，鐵心飽和，繞組電感小，相當(dāng)于開關(guān)“短路”。
1.1.2可控飽和電感（controlledsaturableinductor）
又稱可控飽和電抗器（controlledsaturablereactor），其基本原理是，帶鐵心的交流線圈在直流激磁作用下，由于交直流同時(shí)激磁，使鐵心狀態(tài)一周期內(nèi)按局部磁回線變化，因此，改變了鐵心等效磁導(dǎo)率和線圈電感。若鐵心磁特性是理想的（B－H特性呈矩形），則可控飽和電感類似于一個(gè)“可控開關(guān)”。在開關(guān)電源中，應(yīng)用可控飽和電感可以吸收浪涌，抑制尖峰，消除振蕩，與快速恢復(fù)整流管串聯(lián)時(shí)可使整流管損耗減小。如圖1（b）所示，可控飽和電感具有高磁滯回線矩形比（Br/Bs），高起始磁導(dǎo)率μi，低矯頑力Hc，明顯的磁飽和點(diǎn)（A，B）及由于其磁滯回線所包圍的面積狹小而使其高頻磁滯損耗較小等特征。為此，可控飽和電感在應(yīng)用方面的兩個(gè)顯著特點(diǎn)為
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。可飽和電感的最大儲能Em的理論值可用式（1）表示。
式中：μ為臨界飽和點(diǎn)磁導(dǎo)率；
H為臨界飽和點(diǎn)磁場強(qiáng)度；
V為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Δt的延時(shí)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，因而在電路中常被當(dāng)作可控延時(shí)開關(guān)元件使用。
1.2可飽和電感隨電流變化的關(guān)系
因?yàn)�，有氣隙和無氣隙的dB/di磁路的計(jì)算方法不同，所以，分別對兩種情況進(jìn)行討論。
1.2.1無氣隙可飽和電感與電流的關(guān)系
無氣隙可飽和電感L隨電流變化的關(guān)系可用式（2）表示。
式中：W為電感繞組匝數(shù)；
I為激磁電流；
f為電感用磁性材料B～H曲線的對應(yīng)函數(shù)；
S為磁性材料的截面積；
l磁性材料的為平均長度。
1.2.2有氣隙可飽和電感與電流的關(guān)系
任意給定一個(gè)導(dǎo)磁體磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度B1，可由B=f(H)曲線求出導(dǎo)磁體磁路中的磁場強(qiáng)度H1。氣隙中的H0值可用式（3）表示。
式中：B0為空氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；
a和b為磁路矩形截面積邊長；
l0為氣隙長度；
μ0為空氣磁導(dǎo)率。
由磁路定律得改變B值并重復(fù)上述步驟，可求出相應(yīng)的I，得到一組B和I的關(guān)系數(shù)據(jù)。設(shè)這個(gè)B與I對應(yīng)的函數(shù)為B=f1(I)。
在不考慮漏感時(shí)，電感的計(jì)算式可用式（4）表示。
2飽和電感在開關(guān)電源中的應(yīng)用
2.1尖峰抑制器
開關(guān)電源中尖峰干擾主要來自功率開關(guān)管和二次側(cè)整流二極管的開通和關(guān)斷瞬間。具有容易飽和，儲能能力弱等特點(diǎn)的飽和電感能有效抑制這種尖峰干擾。將飽和電感與整流二極管串聯(lián)，在電流升高的瞬間，它呈現(xiàn)高阻抗，抑制尖峰電流，而飽和后其飽和電感量很小，損耗小。通常將這種飽和電抗器作為尖峰抑制器。
在圖2所示電路中，當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截至，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。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，D1截至，D2導(dǎo)通，由于Ls存在著導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間Δt，這將影響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。為此，在電路中增加了輔助二極管D3和電阻R1。
2.2磁放大器
磁放大器是利用可控飽和電感導(dǎo)通延時(shí)的物理特性，控制開關(guān)電源的占空比和輸出功率。該開關(guān)特性受輸出電路反饋信號的控制，即利用磁芯的開關(guān)功能，通過弱信號來實(shí)現(xiàn)電壓脈沖脈寬控制以達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定。在可控飽和電感上加上適當(dāng)?shù)牟蓸雍涂刂破骷�，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。
磁放大器穩(wěn)壓電路有電壓型控制和電流型控制兩種。圖3所示為電壓型復(fù)位電路，它包括電壓檢測及誤差放大電路，復(fù)位電路和控制輸出二極管D3，它是單閉環(huán)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
圖4所示為移相全橋ZVS-PWM開關(guān)電源磁放大器穩(wěn)壓器[2]。全橋開關(guān)電路變壓器二次雙半波整流各接一個(gè)磁放大器SR，其鐵心繞有工作繞組和控制繞組。在正半周，當(dāng)某輸出整流管正偏（另一輸出整流管反偏），變壓器副邊輸出的方波脈沖加在相應(yīng)的工作繞組上，使SR鐵心正向磁化（增磁）；在負(fù)半周，該輸出整流管反偏，和控制繞組串聯(lián)的二極管D3正偏導(dǎo)通，在直流控制電流Ic的作用下，使該SR的鐵心去磁（復(fù)位）。
控制電路的工作原理是：開關(guān)電源輸出電壓與基準(zhǔn)比較后，經(jīng)誤差放大控制MOS管的柵極，MOS管提供與輸出電壓有關(guān)的磁放大器SR的控制電流Ic。
2.3移相全橋ZVS-PWM變換器
移相全橋ZVS-PWM變換器結(jié)合了零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振技術(shù)和傳統(tǒng)PWM技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，工作頻率固定，在換相過程中利用LC諧振使器件零電壓開關(guān)，在換相完畢后仍然采用PWM技術(shù)傳送能量，控制簡單，開關(guān)損耗小，可靠性高，是一種適合于大中功率開關(guān)電源的軟開關(guān)電路。但當(dāng)負(fù)載很輕時(shí)，尤其是滯后橋臂開關(guān)管的ZVS條件難以滿足。
將飽和電感作為移相全橋ZVS-PWM變換器的諧振電感[3]，能擴(kuò)大輕載下開關(guān)電源滿足ZVS條件的范圍。將其應(yīng)用于弧焊逆變電源中[4]，可減少附加環(huán)路能量和有效占空比的損失，在保證效率的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了零電壓切換的負(fù)載范圍，提高了軟開關(guān)弧焊逆變電源的可靠性。
將飽和電感與開關(guān)電源的隔離變壓器二次輸出整流管串聯(lián)，可消除二次寄生振蕩，減小循環(huán)能量，并使移相全橋ZVS-PWM開關(guān)電源的占空比損失最小。
除此以外，將飽和電感與電容串接在移相全橋ZVS-PWM開關(guān)電源變壓器一次[5]，超前臂開關(guān)管按ZVS工作；當(dāng)負(fù)載電流趨近于零時(shí)，電感量增大，阻止電流反向變化，創(chuàng)造了滯后臂開關(guān)管ZCS條件，實(shí)現(xiàn)移相全橋ZV-ZCSPWM變換器。
2.4諧振變換器
采用串聯(lián)電感或飽和電感的串聯(lián)諧振變換器[6]如圖5所示。當(dāng)諧振電感電流工作在連續(xù)狀態(tài)時(shí)，開關(guān)管為零電壓/零電流關(guān)斷，但開通是硬開通，存在開通損耗。反并聯(lián)二極管為自然開通，但關(guān)斷時(shí)有反向恢復(fù)電流，因此，反并聯(lián)二極管必須采用快恢復(fù)二極管。為了減小開關(guān)管的開通損耗，實(shí)現(xiàn)零電流開通，可以使開關(guān)管串聯(lián)電感或飽和電感。開關(guān)管開通之前，飽和電感電流為零。當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，飽和電感限制開關(guān)管的電流上升率，使開關(guān)管電流從零慢慢上升，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電流開通，同時(shí)改善了二極管的關(guān)斷條件，消除了反向恢復(fù)問題。
2.5逆變電源[7]
逆變電源以其控制性能好，效率高，體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于自動控制，電力電子及精密儀器等各個(gè)方面。它的性能與整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)息息相關(guān)，尤其是電源的動態(tài)性能。由于逆變電源自身的特點(diǎn)，其動態(tài)特性一直不夠理想。
采用PWM和PFM控制的逆變電源，其工作原理決定了要得到平滑的電流電壓波形，必須在其輸出電路上加續(xù)流電感，而該電感正是影響逆變電源動態(tài)性能的主要因素。對于恒壓源，電感電流與負(fù)載完全成反比關(guān)系；對于可控恒流源，要使電感電流由小變大，必然要以小的負(fù)載值作為前提，盡管不是完全的對應(yīng)關(guān)系，但可以說電流的變化在某種程度上反映了負(fù)載的變化。
因此，采用隨電流增大而減小的電感作為逆變電源的輸出電感，可有效地改變電源輸出電路的時(shí)間常數(shù)T，使其完全與R成反比（T=L/R），進(jìn)而在負(fù)載變化范圍內(nèi)維持在一個(gè)相對較小的數(shù)值上，這樣自然會提高動態(tài)性能。
3結(jié)語
本文詳述了飽和電感的物理特性及其電感與電流的變化關(guān)系，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了飽和電感在尖峰抑制器，磁放大器，移相全橋ZVS-PWM變換器，諧振變換器和逆變電源中的應(yīng)用情況，并簡要地分析了它們的工作原理。
采用變壓器的供電電源體積較大，在一些要求小體積的制作中難以使用。本文介紹的小型無變壓器電源，能提供３～１５Ｖ的電壓，最大電流１５０ｍＡ，可滿足小型電子設(shè)備的供電需要。
電路如圖所示，２２０Ｖ經(jīng)Ｄ２整流Ｃ１濾波，作為Ｑ１的導(dǎo)通驅(qū)動電壓，當(dāng)２２０Ｖ正半周開始、但Ｗ滑動端上電壓尚未足夠大時(shí)，Ｑ２處于截止?fàn)顟B(tài)，Ｃ１上的電壓經(jīng)Ｒ４加在Ｑ１的柵極使Ｑ１導(dǎo)通，２２０Ｖ正半周經(jīng)Ｄ１、Ｒ５、Ｑ１對電容Ｃ２快速充電。當(dāng)Ｗ滑動端的電壓升到足以使Ｄ３和Ｑ２導(dǎo)通時(shí)，Ｑ１柵極失去電壓而截止。調(diào)節(jié)Ｗ即可調(diào)節(jié)對Ｃ２的充電時(shí)間，也就調(diào)節(jié)了輸出電壓。由于Ｑ１的導(dǎo)通時(shí)間極短，因此Ｃ２選用了大容量電容，以保證有較平滑的輸出電壓。
電路中Ｒ５是限流電阻，可減小對Ｃ２充電電流的峰值。穩(wěn)壓管Ｄ５是為了防止Ｑ１因柵極電壓過高損壞而設(shè)。Ｄ４用作輸出保護(hù)，當(dāng)Ｃ２兩端電壓過高時(shí)Ｄ４、Ｑ２導(dǎo)通，使Ｑ１截止。因在市電的負(fù)半周時(shí)電路不工作，為了加大輸出電流，可在輸入端加接一整流橋，使市電的正負(fù)半周都能得到利用，這樣可使輸出電流增加８０ｍＡ，同時(shí)還能改善輸出電壓的平滑度。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可將電位器Ｗ、Ｒ３用一個(gè)固定電阻代替。在輸出電壓穩(wěn)定度要求高時(shí)，可加接三端穩(wěn)壓ＩＣ。
此電路簡單，只要焊接無誤即可工作。該電路無隔離措施，使用時(shí)電源的Ｌ線、Ｎ線不要接錯(cuò)。
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