飽和電感及其在開(kāi)關(guān)電源中的應用
摘 要：介紹了飽和電感的分類(lèi)及其基本物理特性，總結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(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。由于其獨特的物理特性，使之在高頻開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)噪聲抑制，大電流輸出輔路穩壓，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用。
1飽和電感的分類(lèi)及其物理特性[1]
1.1飽和電感的分類(lèi)
飽和電感可分為自飽和和可控飽和二類(lèi)。
1.1.1自飽和電感（Saturableinductor）
其電感量隨通過(guò)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(lèi)似于一個(gè)“開(kāi)關(guān)”，即繞組中的電流小時(shí)，鐵心不飽和，繞組電感很大，相當于“開(kāi)路”；繞組中電流大時(shí)，鐵心飽和，繞組電感小，相當于開(kāi)關(guān)“短路”。
1.1.2可控飽和電感（controlledsaturableinductor）
又稱(chēng)可控飽和電抗器（controlledsaturablereactor），其基本原理是，帶鐵心的交流線(xiàn)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)一周期內按局部磁回線(xiàn)變化，因此，改變了鐵心等效磁導率和線(xiàn)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(lèi)似于一個(gè)“可控開(kāi)關(guān)”。在開(kāi)關(guān)電源中，應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(xiàn)矩形比（Br/Bs），高起始磁導率μi，低矯頑力Hc，明顯的磁飽和點(diǎn)（A，B）及由于其磁滯回線(xiàn)所包圍的面積狹小而使其高頻磁滯損耗較小等特征。為此，可控飽和電感在應用方面的兩個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)為
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的理論值可用式（1）表示。
式中：μ為臨界飽和點(diǎn)磁導率；
H為臨界飽和點(diǎn)磁場(chǎng)強度；
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)Δt的延時(shí)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，因而在電路中常被當作可控延時(shí)開(kāi)關(guān)元件使用。
1.2可飽和電感隨電流變化的關(guān)系
因為，有氣隙和無(wú)氣隙的dB/di磁路的計算方法不同，所以，分別對兩種情況進(jìn)行討論。
1.2.1無(wú)氣隙可飽和電感與電流的關(guān)系
無(wú)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；
I為激磁電流；
f為電感用磁性材料B～H曲線(xiàn)的對應函數；
S為磁性材料的截面積；
l磁性材料的為平均長(cháng)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)導磁體磁路中磁感應強度B1，可由B=f(H)曲線(xiàn)求出導磁體磁路中的磁場(chǎng)強度H1。氣隙中的H0值可用式（3）表示。
式中：B0為空氣隙磁感應強度；
a和b為磁路矩形截面積邊長(cháng)；
l0為氣隙長(cháng)度；
μ0為空氣磁導率。
由磁路定律得改變B值并重復上述步驟，可求出相應的I，得到一組B和I的關(guān)系數據。設這個(gè)B與I對應的函數為B=f1(I)。
在不考慮漏感時(shí)，電感的計算式可用式（4）表示。
2飽和電感在開(kāi)關(guān)電源中的應用
2.1尖峰抑制器
開(kāi)關(guān)電源中尖峰干擾主要來(lái)自功率開(kāi)關(guān)管和二次側整流二極管的開(kāi)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S1導通時(shí)，D1導通，D2截至，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。當S1關(guān)斷時(shí)，D1截至，D2導通，由于Ls存在著(zhù)導通延時(shí)時(shí)間Δt，這將影響D2的續流作用，并會(huì )在D2的負極產(chǎn)生負值尖峰電壓。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通延時(shí)的物理特性，控制開(kāi)關(guān)電源的占空比和輸出功率。該開(kāi)關(guān)特性受輸出電路反饋信號的控制，即利用磁芯的開(kāi)關(guān)功能，通過(guò)弱信號來(lái)實(shí)現電壓脈沖脈寬控制以達到輸出電壓的穩定。在可控飽和電感上加上適當的采樣和控制器件，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。
磁放大器穩壓電路有電壓型控制和電流型控制兩種。圖3所示為電壓型復位電路，它包括電壓檢測及誤差放大電路，復位電路和控制輸出二極管D3，它是單閉環(huán)電壓調節系統。
圖4所示為移相全橋ZVS-PWM開(kāi)關(guān)電源磁放大器穩壓器[2]。全橋開(kāi)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的工作繞組上，使SR鐵心正向磁化（增磁）；在負半周，該輸出整流管反偏，和控制繞組串聯(lián)的二極管D3正偏導通，在直流控制電流Ic的作用下，使該SR的鐵心去磁（復位）。
控制電路的工作原理是：開(kāi)關(guān)電源輸出電壓與基準比較后，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變換器結合了零電壓開(kāi)關(guān)準諧振技術(shù)和傳統PWM技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，工作頻率固定，在換相過(guò)程中利用LC諧振使器件零電壓開(kāi)關(guān)，在換相完畢后仍然采用PWM技術(shù)傳送能量，控制簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)損耗小，可靠性高，是一種適合于大中功率開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)電路。但當負載很輕時(shí)，尤其是滯后橋臂開(kāi)關(guān)管的ZVS條件難以滿(mǎn)足。
將飽和電感作為移相全橋ZVS-PWM變換器的諧振電感[3]，能擴大輕載下開(kāi)關(guān)電源滿(mǎn)足ZVS條件的范圍。將其應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，在保證效率的基礎上，擴展了零電壓切換的負載范圍，提高了軟開(kāi)關(guān)弧焊逆變電源的可靠性。
將飽和電感與開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源變壓器一次[5]，超前臂開(kāi)關(guān)管按ZVS工作；當負載電流趨近于零時(shí)，電感量增大，阻止電流反向變化，創(chuàng )造了滯后臂開(kāi)關(guān)管ZCS條件，實(shí)現移相全橋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。當諧振電感電流工作在連續狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)管為零電壓/零電流關(guān)斷，但開(kāi)通是硬開(kāi)通，存在開(kāi)通損耗。反并聯(lián)二極管為自然開(kāi)通，但關(guān)斷時(shí)有反向恢復電流，因此，反并聯(lián)二極管必須采用快恢復二極管。為了減小開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗，實(shí)現零電流開(kāi)通，可以使開(kāi)關(guān)管串聯(lián)電感或飽和電感。開(kāi)關(guān)管開(kāi)通之前，飽和電感電流為零。當開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，飽和電感限制開(kāi)關(guān)管的電流上升率，使開(kāi)關(guān)管電流從零慢慢上升，從而實(shí)現開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通，同時(shí)改善了二極管的關(guān)斷條件，消除了反向恢復問(wèn)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(dòng)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)系統的品質(zhì)息息相關(guān)，尤其是電源的動(dòng)態(tài)性能。由于逆變電源自身的特點(diǎn)，其動(dòng)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流電感，而該電感正是影響逆變電源動(dòng)態(tài)性能的主要因素。對于恒壓源，電感電流與負載完全成反比關(guān)系；對于可控恒流源，要使電感電流由小變大，必然要以小的負載值作為前提，盡管不是完全的對應關(guān)系，但可以說(shuō)電流的變化在某種程度上反映了負載的變化。
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T，使其完全與R成反比（T=L/R），進(jìn)而在負載變化范圍內維持在一個(gè)相對較小的數值上，這樣自然會(huì )提高動(dòng)態(tài)性能。
3結語(yǔ)
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，在此基礎上總結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用情況，并簡(jiǎn)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(wú)變壓器電源，能提供３～１５Ｖ的電壓，最大電流１５０ｍＡ，可滿(mǎn)足小型電子設備的供電需要。
電路如圖所示，２２０Ｖ經(jīng)Ｄ２整流Ｃ１濾波，作為Ｑ１的導通驅動(dòng)電壓，當２２０Ｖ正半周開(kāi)始、但Ｗ滑動(dòng)端上電壓尚未足夠大時(shí)，Ｑ２處于截止狀態(tài)，Ｃ１上的電壓經(jīng)Ｒ４加在Ｑ１的柵極使Ｑ１導通，２２０Ｖ正半周經(jīng)Ｄ１、Ｒ５、Ｑ１對電容Ｃ２快速充電。當Ｗ滑動(dòng)端的電壓升到足以使Ｄ３和Ｑ２導通時(shí)，Ｑ１柵極失去電壓而截止。調節Ｗ即可調節對Ｃ２的充電時(shí)間，也就調節了輸出電壓。由于Ｑ１的導通時(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。穩壓管Ｄ５是為了防止Ｑ１因柵極電壓過(guò)高損壞而設。Ｄ４用作輸出保護，當Ｃ２兩端電壓過(guò)高時(shí)Ｄ４、Ｑ２導通，使Ｑ１截止。因在市電的負半周時(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。在輸出電壓穩定度要求高時(shí)，可加接三端穩壓ＩＣ。
此電路簡(jiǎn)單，只要焊接無(wú)誤即可工作。該電路無(wú)隔離措施，使用時(shí)電源的Ｌ線(xiàn)、Ｎ線(xiàn)不要接錯。
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