磁放大器穩(wěn)壓器中控制電感的設計

摘要：介紹了磁放大器穩(wěn)壓器的工作原理，推導了其中控制電感的設計方法，并給出了一個設計實例。
關鍵詞：磁放大器穩(wěn)壓器；控制電感；復位

1引言
隨著電子技術的發(fā)展，電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的供電電源越來越復雜：供電電源的電壓路數(shù)增多；每一路電壓的穩(wěn)壓精度要求越來越高。一般的開關穩(wěn)壓電源，只有一個次級輸出電壓是通過初級電壓進行閉環(huán)調(diào)節(jié)的，其它的次級輸出電壓都保持開環(huán)狀態(tài)。這些輸出電壓的動態(tài)特性由負載以及初級輸入電壓所決定。要控制彼此獨立的、不同的各路輸出電壓，就要運用不同的調(diào)節(jié)原理。高頻磁放大器穩(wěn)壓器以其低成本、高效率、高穩(wěn)壓精度而又可靠的解決方案，在多路輸出的穩(wěn)壓電源中得到了廣泛應用。
目前的高頻磁放大器穩(wěn)壓器的輸出功率范圍介于20W到1500W，輸出電流范圍介于1A到30A，輸出電壓可低到33V，29V，完全可適應現(xiàn)在低工作電壓的半導體器件的需要。
2高頻磁放大器穩(wěn)壓器工作原理
磁放大器穩(wěn)壓器是通過調(diào)節(jié)主變壓器次級側的脈沖寬度來達到輸出穩(wěn)壓的目的。一個典型的正激變換器的二次側磁放大器穩(wěn)壓器的原理圖如圖1所示。

由圖1可見，磁放大器穩(wěn)壓器中的關鍵部件是控制電感L和復位控制電路。控制電感是由具有矩形BH回線的磁芯及其上的一個繞組組成。該繞組兼起工作繞組和控制繞組的作用。磁芯的工作點如圖2所示。
由圖2可見，當磁芯工作于點①時，磁芯飽和，控制電感的阻抗|Z|接近于0，控制電感器相當于短路。當磁芯工作于點②時，磁芯處于復位狀態(tài)。復位（Reset）是指磁通到達飽和后的去磁過程，使磁通或磁密回到原來工作點的數(shù)值，稱為磁通復位。由于磁放大器穩(wěn)壓器所用磁芯材料的特點（良好的矩形BH回線及高的磁導率）以及開關電源工作于高頻（100kHz左右），使得此時的控制電感對輸入脈沖呈現(xiàn)高阻抗，相當于控制電感開路。實際上，飽和和復位時控制電感的阻抗可達到3～4個數(shù)量級的快速變化。圖3示出了當磁芯材料為鈷基非晶態(tài)合金時，繞組電感L隨直流控制電流Ide的變動而變化的特性。因此，控制電感相當于一只“可控磁開關”，其輸入脈沖電壓由開關電源高頻變壓器副邊供給，正半周脈沖前沿時間由初級主開關導通時間決定，脈沖幅值為u1。正半周期D1，D3截止，D2正偏，能量經(jīng)過控制電感L1傳輸給負載，負半周期D2截止，復位電壓（也是控制電壓）Uc使D1導通，磁芯去磁。

圖4表示了穩(wěn)壓器的工作情況。假定輸出電壓UO1為3V，輸入脈沖幅值u1為10V，占空比為50％，脈沖周期為20μs。設在t=0時刻以前，由于控制電感L1飽和，u3為＋10V；在t=0時，u1變負，設 Uc=－6V，前半周期0～10μs內(nèi)，u1一直保持－10V，在這一段時間內(nèi)，控制電感一直處于復位區(qū)?，其特性可用?的面積SA（伏秒積數(shù)）表示：
SA=4×10=40Vμs
在這一段時間內(nèi)，控制電感L1作為一個高阻抗的電感，阻止電流流過它，保持u2=0，直到t=10μs時。
當t=10μs時，u1變?yōu)椋?0V，使控制電感進入飽和狀態(tài)區(qū)?。這一時間間隔為4μs，它與＋10V的乘積SB等于SA，即：
SB=10×4=40Vμs
因此有UO1=u1Ton/T=10×(6/20)=3V（DC）
圖1電路的各點波形如圖5所示。
3磁放大控制電感的設計
磁放大器穩(wěn)壓器的設計包括控制電感的設計和控制電路的設計，本文只給出控制電流（復位電流）的設計計算結果，控制電路的拓撲選擇及詳細的設計計算，請參閱參考文獻[1][2][3]。
控制電感的設計是根據(jù)穩(wěn)壓器的外部要求，求出合適的磁芯型號及繞組參數(shù)。
本文的設計計算以VITROVAC6025Z磁芯為基礎進行。
VITROVAC6025Z環(huán)形磁芯采用德國VAC公司為高頻磁放大器穩(wěn)壓器的控制電感研制的專用帶狀非晶共基合金材料，由環(huán)形帶繞制的磁芯加有塑料保持外罩，可在其上直接繞線。
VITROVAC6025Z磁芯的典型磁特性和型號分別如表1和表2所示。

在控制電感的設計中，一般給定的條件有：
——電路拓撲：單端正激式或推挽式（含半橋、全橋式）；
——輸出電壓U1；
——主電路壓降；
——輸出有或沒有短路保護。
設計結果：
——磁芯有效截面積AFe，選定磁芯型號；