飽和電感及其在開(kāi)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

0??? 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(kāi)關(guān)元件來(lái)使用。由于其獨(dú)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(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（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(dāng)于“開(kāi)路”；繞組中電流大時(shí)，鐵心飽和，繞組電感小，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“短路”。

1.1.2??? 可控飽和電感（controlled saturable inductor）

??? 又稱可控飽和電抗器（controlled saturable reactor），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(kāi)關(guān)”。在開(kāi)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（B_r/B_s），高起始磁導(dǎo)率μ_i，低矯頑力H_c，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(chǎng)強(qiáng)度很小，所以，可飽和電感的儲(chǔ)能能力很弱，不能被當(dāng)作儲(chǔ)能電感使用?？娠?

和電感的最大儲(chǔ)能E_m的理論值可用式（1）表示。

??? E_m=μVH²/2??? （1）

式中：μ為臨界飽和點(diǎn)磁導(dǎo)率；

????? H為臨界飽和點(diǎn)磁場(chǎng)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(zhǎng)緩慢，只有經(jīng)過(guò)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(huì)立即飽和，因而在電路中常被當(dāng)作可控延時(shí)開(kāi)關(guān)元件使用。

(a)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?yàn)?，有氣隙和無(wú)氣隙的dB/di磁路的計(jì)算方法不同，所以，分別對(duì)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=??? （2）

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(duì)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(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)度H₁。氣隙中的H₀值可用式（3）表示。

??? H₀=B_1??? （3）

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(zhǎng)；

????? l₀為氣隙長(zhǎng)度；

??????????? μ₀為空氣磁導(dǎo)率。

??? 由磁路定律得I=。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(duì)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。

??? L=W=WS??? （4）

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(yīng)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(cè)整流二極管的開(kāi)通和關(guān)斷瞬間。具有容易飽和，儲(chǔ)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L_s的限流作用，D₂中流過(guò)的反向恢復(fù)電流的幅值和變化率都會(huì)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L_s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(huì)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。

圖2??? 尖峰抑制器的應(yīng)用

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(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(hào)的控制，即利用磁芯的開(kāi)關(guān)功能，通過(guò)弱信號(hào)來(lái)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?a target="_blank">控制器件，調(diào)節(jié)其導(dǎo)通延時(shí)的時(shí)間，就可以構(gòu)成最常見(jiàn)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(cè)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3??? 磁放大器電壓型復(fù)位穩(wěn)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(wěn)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(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I_c的作用下，使該SR的鐵心去磁（復(fù)位）。

圖4??? 移相全橋ZVS-PWM開(kāi)關(guān)電源磁放大器穩(wěn)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(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I_c。

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(kāi)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(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(dāng)負(fù)載很輕時(shí)，尤其是滯后橋臂開(kāi)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(kāi)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(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(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(kāi)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(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(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(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗，實(shí)現(xiàn)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(dāng)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(xiàn)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(fù)問(wèn)題。

圖5??? 諧振變換器

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(tǒng)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(xù)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(duì)于恒壓源，電感電流與負(fù)載完全成反比關(guān)系；對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，但可以說(shuō)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(duì)較小的數(shù)值上，這樣自然會(huì)提高動(dòng)態(tài)性能。

3??? 結(jié)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(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(jiǎn)要地分析了它們的工作原理。