- 可飽和電感的基本物理特性
- 可飽和電感的開(kāi)關(guān)噪聲抑制作用
- 可飽和電感在磁放大器穩壓技術(shù)中的應用
可飽和電感是一種磁滯回線(xiàn)矩形比高、起始磁導率高、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作可控延時(shí)開(kāi)關(guān)元件來(lái)使用。由于具有獨特的物理特性，可飽和電感在高頻開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)噪聲抑制技術(shù)及大電流輸出輔路穩壓技術(shù)等方面也得到了日益廣泛的應用。
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(xiàn)。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(xiàn)矩形比(Br/Bs)、高起始磁導率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(xiàn)所包圍的面積狹小，所以可飽和電感的高頻磁滯損耗相應也較小。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率mi和很高的飽和磁感應強度Bs。由于物理特性上的差異,可飽和電感在應用方面與普通鐵氧體電感有兩個(gè)顯著(zhù)的不同之處：
(1)由于飽和磁場(chǎng)強度很小，所以可飽和電感的儲能能力很弱，不能被當作儲能電感使用?？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)磁導率;H：臨界飽和點(diǎn)磁場(chǎng)強度;V：磁性材料的有效體積。
(2)由于可飽和電感的起始磁導率高、磁阻小，電感系數和電感量都很大，在施加外部電壓時(shí)，電感內部起始電流增長(cháng)緩慢，只有經(jīng)過(guò)DT的延時(shí)時(shí)間后，當電感線(xiàn)圈中的電流達到一定數值時(shí)，可飽和電感才會(huì )立即飽和，具有非常明顯的開(kāi)關(guān)特性，因而在電路中常被當作可控延時(shí)開(kāi)關(guān)元件使用，可飽和電感的這種開(kāi)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作用下的電流強度I隨時(shí)間t變化的曲線(xiàn)如圖2(a)和圖2(b)所示。
可飽和電感的開(kāi)關(guān)噪聲抑制作用
開(kāi)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，電源次級側的整流二極管在高頻關(guān)斷過(guò)程中會(huì )流過(guò)較大的反向恢復電流，因此形成的電源導通尖峰噪聲是開(kāi)關(guān)電源噪聲的重要組成部分。設法減小整流二極管的反向恢復電流，從而減小開(kāi)關(guān)電源的傳導和輻射噪聲是開(kāi)關(guān)電源設計中的一個(gè)重要方面。
在圖3(a)所示的正激電源電路中，當初級功率管V1開(kāi)始導通，次級整流二極管D1開(kāi)始導通，D2開(kāi)始截止時(shí)，由于二極管PN結的電荷存儲效應，D2中流過(guò)了電流變化率di/dt很大的反向恢復尖峰電流i，致使V1、D1中也有相應的尖峰電流流過(guò)，在漏感、線(xiàn)電感等因素的共同作用下會(huì )在電源輸出端產(chǎn)生高頻的導通噪聲。在D2上施加的反向電壓越大，D2的反向恢復時(shí)間越長(cháng)，反向恢復電流變化率di/dt就越大，電源輸出噪聲也就越大。大的反向恢復尖峰電流，不僅會(huì )產(chǎn)生電源噪聲，也容易損壞整流器件。[page]
當初級功率管V1開(kāi)始截止，次級整流二極管D1開(kāi)始截止，D2開(kāi)始導通續流時(shí)，由于同樣的原因，電源輸出端也會(huì )產(chǎn)生高頻關(guān)斷噪聲，關(guān)斷噪聲通常較導通噪聲小很多，一般不作為電源設計考慮的重點(diǎn)。
為了有效減小整流二極管的反向恢復電流、抑制反向恢復電流變化率，在電源設計中通常采取的措施有：選用無(wú)PN結電荷存儲效應、反向恢復時(shí)間很短的肖特極二極管或選用反向恢復電流變化率小，具有軟恢復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(kāi)關(guān)電壓或反向恢復電流的變化率。由于可飽和電感具有電感系數大、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電流的幅值及變化率都被限制在一個(gè)合理的范圍內。
在圖3(b)所示電路中，當V1開(kāi)始導通，D1開(kāi)始導通，D2開(kāi)始截止時(shí)，由于可飽和電感Ls的限流作用，D2中流過(guò)的反向恢復電流的幅值和變化率都會(huì )顯著(zhù)減小，從而有效地抑制了高頻導通噪聲的產(chǎn)生。在二極管D2導通、關(guān)斷、導通的過(guò)程中，Ls中磁感應強度的變化如圖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過(guò)程中，Ls中相應的磁感應強度位于圖4中的A、B、C、D各點(diǎn)。在二極管D2續流導通后，相應的磁感應強度將會(huì )由D點(diǎn)重新過(guò)渡到A點(diǎn)。在D2由截止變?yōu)閷ɡm流時(shí)，由于Ls存在著(zhù)導通延時(shí)時(shí)間DT，這會(huì )影響D2的續流作用，并會(huì )在D2的負極產(chǎn)生負值尖峰電壓，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(wèn)題。
可飽和電感在磁放大器穩壓技術(shù)中的應用
磁放大器穩壓是利用可飽和電感導通延時(shí)的物理特性來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源的占空比和輸出功率，穩定電源輸出電壓的一種方法。在可飽和電感上加上適當的采樣和控制元件，調節其導通延時(shí)的時(shí)間，就可以構成最常見(jiàn)的磁放大器穩壓電路。圖5是一個(gè)輸入為110Vac～220Vac/50HZ，輸出為5Vdc/20A，12Vdc/10A的雙管正激開(kāi)關(guān)穩壓電源，其中5V是主控回路。其輔路12V輸出電流較大，對穩壓精度和負載穩定度都有較高要求，采用普通的方法穩壓效果都不是很理想，如果采用磁放大器穩壓技術(shù)就可圓滿(mǎn)解決這一問(wèn)題，使穩壓電路的結構簡(jiǎn)單，耗散功率小，并可達到毫伏級的穩壓精度。
110Vac～220Vac/50HZ輸入經(jīng)有源功率因數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。在加入磁放大器穩壓電路前(圖5中虛線(xiàn)框部分)，輔路12V處的輸出電壓V2»50V´0.25=12.5V，在5V滿(mǎn)載而12V空載時(shí)，由于輔路沒(méi)有死負載放電回路，實(shí)際輸出電壓還會(huì )高得多。加入磁放大器穩壓電路后，由于它的調節作用，輔路在任何負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壓電路的工作原理，穩壓過(guò)程中可飽和電感Ls的磁感應強度變化曲線(xiàn)仍可由圖4表示。
當初級功率管V1和V2截止時(shí)，次級二極管D1反向截止，二極管D2導通續流，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(gè)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)生了附加磁感應強度B0，B0位于磁滯回線(xiàn)的V點(diǎn)。在功率管V1和V2重新導通后，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(zhù)續流的作用，電源的輔路仍處于關(guān)斷狀態(tài)。只有在經(jīng)過(guò)DT的延時(shí)時(shí)間后，當D1中的電流增加到了一定數值，Ls中的磁感應強度達到了飽和磁感應強度BS(A點(diǎn))時(shí)，Ls才會(huì )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，使得輔路的導通時(shí)間T´ON、占空比a´都較主回路小，通過(guò)對占空比a´的調節最終實(shí)現了輔路輸出穩壓的目的。a´具有很大的調節范圍，在輔路完全空載時(shí)，a´幾乎可以被調節至0，從而使輔路具有了很高的負載穩定度和穩壓精度。占空比a´可根據下式計算：
a´=T´ON/T=(TON-DT)/T (2)
式中：TON：主回路的導通時(shí)間;T：電源的開(kāi)關(guān)周期;DT：Ls的導通延時(shí)時(shí)間。
可飽和電感的導通延時(shí)時(shí)間DT由附加磁感應強度B0、電流If等確定，B0、If由采樣控制電路根據輸出電壓的大小自動(dòng)調節。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強度; 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(xiàn)圈匝數;
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一般設計為幾十毫安，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：起始磁導率;lm：可飽和電感的等效磁路長(cháng)度。
基于與正激電源輔路輸出穩壓同樣的原理，由兩套磁放大器穩壓電路就可以構成推挽電源、橋式電源的輔路輸出穩壓?jiǎn)卧?。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壓?jiǎn)卧?，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(kāi)關(guān)噪聲抑制作用，重點(diǎn)分析了磁放大器穩壓電路的工作原理，并提出了幾個(gè)理論計算公式。在電源的實(shí)際工程設計中，由于供貨廠(chǎng)商通常都會(huì )提供可飽和電感和磁放大器的經(jīng)驗設計公式，所以實(shí)際設計工作還是比較簡(jiǎn)單容易的。磁放大器穩壓電路對于電路參數的要求并不是十分嚴格，在正常情況下都可以取得非常良好的穩壓效果。
