詳解：可飽和電感的開關(guān)抑制作用

1　引言

可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)開關(guān)元件來使用。由于具有獨(dú)特的物理特性，可飽和電感在高頻開關(guān)電源的開關(guān)噪聲抑制技術(shù)及大電流輸出輔路穩(wěn)壓技術(shù)等方面也得到了日益廣泛的應(yīng)用。

2　可飽和電感的基本物理特性

　　圖1(a)和圖1(b)分別是普通鐵氧體電感和可飽和電感的磁滯回線。從兩者的對(duì)比中可以明顯看出可飽和電感具有高磁滯回線矩形比(Br/Bs)、高起始磁導(dǎo)率mi、低矯頑力Hc、明顯的磁飽和點(diǎn)(A，B)等特怔。此外，由圖1(b)還可以看出，可飽和電感的磁滯回線所包圍的面積狹小，所以可飽和電感的高頻磁滯損耗相應(yīng)也較小。由于可飽和電感通常是由微晶、非晶、坡莫合金等鐵磁性材料制造的，所以可飽和電感一般都具有很高的起始磁導(dǎo)率mi和很高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs。由于物理特性上的差異,可飽和電感在應(yīng)用方面與普通鐵氧體電感有兩個(gè)顯著的不同之處：

(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?？娠柡碗姼械淖畲髢?chǔ)能Em的理論值可由下式表示：

Em=m?H2?V/2　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中：m：臨界飽和點(diǎn)磁導(dǎo)率;H：臨界飽和點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度;V：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DT的延時(shí)時(shí)間后，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，具有非常明顯的開關(guān)特性，因而在電路中常被當(dāng)作可控延時(shí)開關(guān)元件使用，可飽和電感的這種開關(guān)特性是普通鐵氧體電感所不具備的。普通鐵氧體電感和可飽和電感在直流電壓Vdc作用下的電流強(qiáng)度I隨時(shí)間t變化的曲線如圖2(a)和圖2(b)所示。

3　可飽和電感的開關(guān)噪聲抑制作用

開關(guān)電源通常都工作在幾十千赫茲到幾百千赫茲的頻段內(nèi)，電源次級(jí)側(cè)的整流二極管在高頻關(guān)斷過程中會(huì)流過較大的反向恢復(fù)電流，因此形成的電源導(dǎo)通尖峰噪聲是開關(guān)電源噪聲的重要組成部分。設(shè)法減小整流二極管的反向恢復(fù)電流，從而減小開關(guān)電源的傳導(dǎo)和輻射噪聲是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要方面。

在圖3(a)所示的正激電源電路中，當(dāng)初級(jí)功率管V1開始導(dǎo)通，次級(jí)整流二極管D1開始導(dǎo)通，D2開始截止時(shí)，由于二極管PN結(jié)的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，D2中流過了電流變化率di/dt很大的反向恢復(fù)尖峰電流i，致使V1、D1中也有相應(yīng)的尖峰電流流過，在漏感、線電感等因素的共同作用下會(huì)在電源輸出端產(chǎn)生高頻的導(dǎo)通噪聲。在D2上施加的反向電壓越大，D2的反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，反向恢復(fù)電流變化率di/dt就越大，電源輸出噪聲也就越大。大的反向恢復(fù)尖峰電流，不僅會(huì)產(chǎn)生電源噪聲，也容易損壞整流器件。

當(dāng)初級(jí)功率管V1開始截止，次級(jí)整流二極管D1開始截止，D2開始導(dǎo)通續(xù)流時(shí)，由于同樣的原因，電源輸出端也會(huì)產(chǎn)生高頻關(guān)斷噪聲，關(guān)斷噪聲通常較導(dǎo)通噪聲小很多，一般不作為電源設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。

為了有效減小整流二極管的反向恢復(fù)電流、抑制反向恢復(fù)電流變化率，在電源設(shè)計(jì)中通常采取的措施有：選用無PN結(jié)電荷存儲(chǔ)效應(yīng)、反向恢復(fù)時(shí)間很短的肖特極二極管或選用反向恢復(fù)電流變化率小，具有軟恢復(fù)特性的整流二極管作為次級(jí)整流器件;在整流二極管兩端并入RC緩沖電路，或在整流二極管中串聯(lián)小電感以軟化開關(guān)電壓或反向恢復(fù)電流的變化率。由于可飽和電感具有電感系數(shù)大、容易飽和、儲(chǔ)能作用弱等特點(diǎn)，所以非常適合作為限流電感串聯(lián)在整流二極管中，從而使整流二極管反向恢復(fù)電流的幅值及變化率都被限制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

在圖3(b)所示電路中，當(dāng)V1開始導(dǎo)通，D1開始導(dǎo)通，D2開始截止時(shí)，由于可飽和電感Ls的限流作用，D2中流過的反向恢復(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。在二極管D2導(dǎo)通、關(guān)斷、導(dǎo)通的過程中，Ls中磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化如圖4所示。D2中的電流由正向電流、零電流、最大反向電流再到零電流的反向恢復(fù)過程中，Ls中相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度位于圖4中的A、B、C、D各點(diǎn)。在二極管D2續(xù)流導(dǎo)通后，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將會(huì)由D點(diǎn)重新過渡到A點(diǎn)。在D2由截止變?yōu)閷?dǎo)通續(xù)流時(shí)，由于Ls存在著導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間DT，這會(huì)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，在電路中增加輔助二極管D3及電阻R1，可以較好地解決這一問題。

4　可飽和電感在磁放大器穩(wěn)壓技術(shù)中的應(yīng)用

磁放大器穩(wěn)壓是利用可飽和電感導(dǎo)通延時(shí)的物理特性來控制開關(guān)電源的占空比和輸出功率，穩(wěn)定電源輸出電壓的一種方法。在可飽和電感上加上適當(dāng)?shù)牟蓸雍涂刂圃?，調(diào)節(jié)其導(dǎo)通延時(shí)的時(shí)間，就可以構(gòu)成最常見的磁放大器穩(wěn)壓電路。圖5是一個(gè)輸入為110Vac～220Vac/50HZ，輸出為5Vdc/20A，12Vdc/10A的雙管正激開關(guān)穩(wěn)壓電源，其中5V是主控回路。其輔路12V輸出電流較大，對(duì)穩(wěn)壓精度和負(fù)載穩(wěn)定度都有較高要求，采用普通的方法穩(wěn)壓效果都不是很理想，如果采用磁放大器穩(wěn)壓技術(shù)就可圓滿解決這一問題，使穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗散功率小，并可達(dá)到毫伏級(jí)的穩(wěn)壓精度。

110Vac～220Vac/50HZ輸入經(jīng)有源功率因數(shù)校正電路提升電壓后，輸出400Vdc的直流電壓加在功率模塊初級(jí)上，次級(jí)繞組N1輸出峰值為20V、占空比約為25%的方波電壓，次級(jí)繞組N2的輸出峰值電壓為50V。在加入磁放大器穩(wěn)壓電路前(圖5中虛線框部分)，輔路12V處的輸出電壓V2?50V′0.25=12.5V，在5V滿載而12V空載時(shí)，由于輔路沒有死負(fù)載放電回路，實(shí)際輸出電壓還會(huì)高得多。加入磁放大器穩(wěn)壓電路后，由于它的調(diào)節(jié)作用，輔路在任何負(fù)載條件下都可以得到理想的12V輸出電壓。下面分析磁放大器穩(wěn)壓電路的工作原理，穩(wěn)壓過程中可飽和電感Ls的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線仍可由圖4表示。

當(dāng)初級(jí)功率管V1和V2截止時(shí)，次級(jí)二極管D1反向截止，二極管D2導(dǎo)通續(xù)流，儲(chǔ)能電感L1釋放能量，電源的輔路處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)，一個(gè)毫安級(jí)的小電流If經(jīng)Q1、D3流入可飽和電感Ls，在Ls中產(chǎn)生了附加磁感應(yīng)強(qiáng)度B0，B0位于磁滯回線的V點(diǎn)。在功率管V1和V2重新導(dǎo)通后，由于電感Ls的限流作用，D1中的電流只能緩慢增大，D2仍起著續(xù)流的作用，電源的輔路仍處于關(guān)斷狀態(tài)。只有在經(jīng)過DT的延時(shí)時(shí)間后，當(dāng)D1中的電流增加到了一定數(shù)值，Ls中的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS(A點(diǎn))時(shí)，Ls才會(huì)立即飽和，D1中的電流迅速增加，D2迅速截止，儲(chǔ)能電感L1進(jìn)入儲(chǔ)能階段，電源的輔路進(jìn)入了導(dǎo)通狀態(tài)。

　　

由上面的分析可知，由于可飽和電感Ls的插入，使得輔路的導(dǎo)通時(shí)間T′ON、占空比a′都較主回路小，通過對(duì)占空比a′的調(diào)節(jié)最終實(shí)現(xiàn)了輔路輸出穩(wěn)壓的目的。a′具有很大的調(diào)節(jié)范圍，在輔路完全空載時(shí)，a′幾乎可以被調(diào)節(jié)至0，從而使輔路具有了很高的負(fù)載穩(wěn)定度和穩(wěn)壓精度。占空比a′可根據(jù)下式計(jì)算：

a′= T′ON/T=(TON-DT)/T　　　　　　　　　　　　(2)

式中：TON：主回路的導(dǎo)通時(shí)間;T：電源的開關(guān)周期; DT：Ls的導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間。

可飽和電感的導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間DT由附加磁感應(yīng)強(qiáng)度B0、電流If等確定，B0、If由采樣控制電路根據(jù)輸出電壓的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)。DT由下式給出：

DT=N′Ae′(BS-B0)/Vin　　　　　　　　　　　　　　(3)

式中：BS：可飽和電感的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度;　　B0：介于±BS之間，由工作電流If確定;

Ae：可飽和電感的截面積;　　　　　　N：可飽和電感的線圈匝數(shù);

Vin：加在可飽和電感兩端的電壓。

在B0=-BS時(shí)，DT有最大值DTmax=2N′Ae′BS/Vin;在B0=Br時(shí)，DT有最小值DTmin= N′Ae′ (BS-Br)/Vin。If一般設(shè)計(jì)為幾十毫安，If的近似值由下式給出：

If ?(HC- B0/mi)′lm/N　　　　　　　　　　　　　　 (4)

式中：HC：可飽和電感的矯頑力;mi：起始磁導(dǎo)率;lm：可飽和電感的等效磁路長(zhǎng)度。

基于與正激電源輔路輸出穩(wěn)壓同樣的原理，由兩套磁放大器穩(wěn)壓電路就可以構(gòu)成推挽電源、橋式電源的輔路輸出穩(wěn)壓?jiǎn)卧４送?，也可以由磁放大器方便地組成正反混激電源輔路輸出穩(wěn)壓?jiǎn)卧?，在這里就不一一贅述。

5　結(jié)束語

本文介紹了可飽和電感的基本物理特性和可飽和電感的開關(guān)噪聲抑制作用，重點(diǎn)分析了磁放大器穩(wěn)壓電路的工作原理，并提出了幾個(gè)理論計(jì)算公式。在電源的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，由于供貨廠商通常都會(huì)提供可飽和電感和磁放大器的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式，所以實(shí)際設(shè)計(jì)工作還是比較簡(jiǎn)單容易的。磁放大器穩(wěn)壓電路對(duì)于電路參數(shù)的要求并不是十分嚴(yán)格，在正常情況下都可以取得非常良好的穩(wěn)壓效果。