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,,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{(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
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,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