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饱和电感及其在开关电源中的应用

2011-02-18 11:38
孤身万里游
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  引言

  饱和电感是一种磁滞回线矩形比高,起始磁导率高,矫顽力小,具有明显磁饱和点的电感,在电子电路中常被当作可控延时开关元件来使用。由于其独特的物理特性,使之在高频开关电源的开关噪声抑制,大电流输出辅路稳压,移相全桥变换器,谐振变换器及逆变电源等方面得到了日益广泛的应用。

  1 饱和电感的分类及其物理特性

  1.1 饱和电感的分类

  饱和电感可分为自饱和和可控饱和二类。

  1.1.1 自饱和电感(Saturable inductor)

  其电感量随通过的电流大小可变。若铁心磁特性是理想的(例如呈矩形),如图1(a)所示,则饱和电感工作时,类似于一个“开关”,即绕组中的电流小时,铁心不饱和,绕组电感很大,相当于“开路”;绕组中电流大时,铁心饱和,绕组电感小,相当于开关“短路”。

  1.1.2 可控饱和电感(controlled saturable inductor)

  又称可控饱和电抗器(controlled saturable reactor),其基本原理是,带铁心的交流线圈在直流激磁作用下,由于交直流同时激磁,使铁心状态一周期内按局部磁回线变化,因此,改变了铁心等效磁导率和线圈电感。若铁心磁特性是理想的(B-H特性呈矩形),则可控饱和电感类似于一个“可控开关”。在开关电源中,应用可控饱和电感可以吸收浪涌,抑制尖峰,消除振荡,与快速恢复整流管串联时可使整流管损耗减小。如图1(b)所示,可控饱和电感具有高磁滞回线矩形比(Br/Bs),高起始磁导率μi,低矫顽力Hc,明显的磁饱和点(A,B)及由于其磁滞回线所包围的面积狭小而使其高频磁滞损耗较小等特征。为此,可控饱和电感在应用方面的两个显著特点为

  1)由于饱和磁场强度很小,所以,可饱和电感的储能能力很弱,不能被当作储能电感使用。可饱和电感的最大储能Em的理论值可用式(1)表示。

  Em=μVH2/2 (1)

  式中:

  μ为临界饱和点磁导率;

  H为临界饱和点磁场强度;

  V为磁性材料的有效体积。

  2)由于可饱和电感的起始磁导率高,磁阻小,电感系数和电感量都很大,在施加外部电压时,电感内部起始电流增长缓慢,只有经过Δt的延时后,当电感线圈中的电流达到一定数值时,可饱和电感才会立即饱和,因而在电路中常被当作可控延时开关元件使用。

  

  (a)理想磁特性B=f(H) (b)可饱和电感的B=f(H)

  图1 饱和电感的B-H特性

  1.2 可饱和电感随电流变化的关系

  因为,有气隙和无气隙的dB/di磁路的计算方法不同,所以,分别对两种情况进行讨论。

  1.2.1 无气隙可饱和电感与电流的关系

  无气隙可饱和电感L随电流变化的关系可用式(2)表示。

  L=  (2)

  式中:

  W为电感绕组匝数;

  I为激磁电流;

  f为电感用磁性材料B~H曲线的对应函数;

  S为磁性材料的截面积;

  l磁性材料的为平均长度。

  1.2.2 有气隙可饱和电感与电流的关系

  任意给定一个导磁体磁路中磁感应强度B1,可由B=f(H)曲线求出导磁体磁路中的磁场强度H1。气隙中的H0值可用式(3)表示。

  H0= B1 (3)

  式中:

  B0为空气隙磁感应强度;

  a和b为磁路矩形截面积边长;

  l0为气隙长度;

  μ0为空气磁导率。

  由磁路定律得I= 。改变B值并重复上述步骤,可求出相应的I,得到一组B和I的关系数据。设这个B与I对应的函数为B=f1(I)。

  在不考虑漏感时,电感的计算式可用式(4)表示。

  L=W =WS (4)

  式中:φ为磁路磁通量。

  则有气隙可饱和电感与电流的关系为

  L=WSf1(I) (5)

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