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 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(Saturable inductor) 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(controlled saturable inductor) 又稱(chēng)可控飽和電抗器(controlled saturable reactor),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。 Em=μVH2/2 (1) 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。 ![]() 。╝)理想磁特性B=f(H) (b)可飽和電感的B=f(H) 圖1 飽和電感的B-H特性 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。 L= ![]() 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。 H0= ![]() 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I= ![]() 在不考慮漏感時(shí),電感的計算式可用式(4)表示。 L=W ![]() ![]() 式中:φ為磁路磁通量。 則有氣隙可飽和電感與電流的關(guān)系為 L=WSf1(I) (5) 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。 ![]() 圖2 尖峰抑制器的應用 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3 磁放大器電壓型復位穩壓電路 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)。![]() 圖4 移相全橋ZVS-PWM開(kāi)關(guān)電源磁放大器穩壓器 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。 ![]() 圖5 諧振變換器 2.5 逆變電源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。 來(lái)源:電子工程網(wǎng) |