编带磁珠及其在开关电源中的使用

    编带磁珠是一种磁滞回线矩形比高，开始磁导率高，矫顽力小，具有显着磁饱满点的电感，在电子电路中常被当作可控延时开关元件来运用。因为其共同的物理特性，使之在高频开关电源的开关噪声按捺，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运用。

　　1 编带磁珠的分类及其物理特性

　　1.1 编带磁珠的分类

　　编带磁珠可分为自饱满和可控饱满二类。

　　1.1.1 自编带磁珠（Saturable inductor）

　　其电感量随经过的电流巨细可变。若铁心磁特性是抱负的（例如呈矩形），则编带磁珠作业时，类似于一个“开关”，即绕组中的电流小时，铁心不饱满，绕组电感很大，相当于“开路”；绕组中电流大时，铁心饱满，绕组电感小，相当于开关“短路”。

　　1.1.2 可控编带磁珠（controlled saturable inductor）

　　又称可控饱满电抗器（controlled saturable reactor），其基本原理是，带铁心的沟通线圈在直流激磁效果下，因为交直流一起激磁，使铁心状况一周期内按部分磁回线改动，因而，改动了铁心等效磁导率和线圈电感。若铁心磁特性是抱负的（B－H特性呈矩形），则可控编带磁珠类似于一个“可控开关”。在开关电源中，运用可控编带磁珠能够吸收浪涌，按捺尖峰，消除振动，与疾速康复整流管串联时可使整流管损耗减小。如图1（b）所示，可控编带磁珠具有高磁滞回线矩形比（Br/Bs），高开始磁导率μi，低矫顽力Hc，显着的磁饱满点（A，B）及因为其磁滞回线所围住的面积狭小而使其高频磁滞损耗较小等特征。为此，可控编带磁珠在运用方面的两个明显特色为

　　1）因为饱满磁场强度很小，所以，可编带磁珠的储能才能很弱，不能被当作储能电感运用。可编带磁珠的最大储能Em的理论值可用式（1）表明。

　　Em=μVH2/2 （1）

　　式中：

　　μ为临界饱满点磁导率；

　　H为临界饱满点磁场强度；

　　V为磁性材料的有用体积。

　　2）因为可编带磁珠的开始磁导率高，磁阻小，电感系数和电感量都很大，在施加外部电压时，电感内部开始电流增加缓慢，只要经过Δt的延时后，当电感线圈中的电流到达必定数值时，可编带磁珠才会当即饱满，因而在电路中常被当作可控延时开关元件运用。

　　（a）抱负磁特性B=f（H） （b）可编带磁珠的B=f（H）

　　图1 编带磁珠的B－H特性

　　1.2 可编带磁珠随电流改动的联系

　　因为，有气隙和无气隙的dB/di磁路的计算方法不一样，所以，分别对两种状况进行评论。

　　1.2.1 无气隙可编带磁珠与电流的联系

　　无气隙可编带磁珠L随电流改动的联系可用式（2）表明。

　　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磁性材料的为均匀长度。

　　1.2.2 有气隙可编带磁珠与电流的联系

　　恣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）表明。

　　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。

　　由磁路规律得I= 。改动B值并重复上述过程，可求出相应的I，得到一组B和I的联系数据。设这个B与I对应的函数为B=f1（I）。

　　在不思考漏感时，电感的计算式可用式（4）表明。

　　L=W =WS （4）

　　式中：φ为磁路磁通量。

　　则有气隙可编带磁珠与电流的联系为

　　L=WSf1（I） （5）

2 编带磁珠在开关电源中的运用

　　2.1 尖峰按捺器

　　开关电源中尖峰搅扰首要来自功率开关管和二次侧整流二极管的注册和关断刹那间。编带磁珠具有简略饱满，储能才能弱等特色的编带磁珠能有用按捺这种尖峰搅扰。将编带磁珠与整流二极管串联，在电流升高的刹那间，它出现高阻抗，按捺尖峰电流，而饱满后其编带磁珠量很小，损耗小。通常将这种饱满电抗器作为尖峰按捺器。

　　在图2所示电路中，当S1导通时，D1导通，D2到，因为可编带磁珠Ls的限流效果，D2中流过的反向康复电流的幅值和改动率都会明显减小，然后有用地按捺了高频导通噪声的发生。当S1关断时，D1到，D2导通，因为Ls存在着导通延时时刻Δt，这将影响D2的续流效果，并会在D2的负极发生负值尖峰电压。为此，在电路中增加了辅佐二极管D3和电阻R1。

　　2.2 磁拓展器

　　磁拓展器是使用可控编带磁珠导通延时的物理特性，操控开关电源的占空比和输出功率。该开关特性受输出电路反应信号的操控，即使用磁芯的开关功用，经过弱信号来完成电压脉冲脉宽操控以到达输出电压的安稳。在可控编带磁珠上加上恰当的采样和操控器材，调理其导通延时的时刻，就能够构成最常见的磁拓展器稳压电路。

　　磁拓展器稳压电路有电压型操控和电流型操控两种。图3所示为电压型复位电路，它包含电压检测及差错拓展电路，复位电路和操控输出二极管D3，它是单闭环电压调理体系。

　　操控电路的作业原理是：开关电源输出电压与基准比较后，经差错拓展操控MOS管的栅极，MOS管供给与输出电压有关的磁拓展器SR的操控电流Ic。

　　2.3 移相全桥ZVS-PWM变换器

　　移相全桥ZVS-PWM变换器联系了零电压开关准谐振技能和传统PWM技能两者的长处，作业频率固定，在换相过程中使用LC谐振使器材零电压开关，在换相结束后依然选用PWM技能传送能量，操控简略，开关损耗小，可靠性高，是一种适合于大中功率开关电源的软开关电路。但当负载很轻时，尤其是滞后桥臂开关管的ZVS条件难以满意。

　　将编带磁珠作为移相全桥ZVS-PWM变换器的谐振电感［3］，能拓展轻载下开关电源满意ZVS条件的规模。将其运用于弧焊逆变电源中［4］，可削减附加环路能量和有用占空比的丢失，在确保功率的基础上，拓展了零电压切换的负载规模，进步了软开关弧焊逆变电源的可靠性。

　　将编带磁珠与开关电源的阻隔变压器二次输出整流管串联，可消除二次寄生振动，减小循环能量，并使移相全桥ZVS-PWM开关电源的占空比丢失最小。

　　除此以外，将编带磁珠与电容串接在移相全桥ZVS-PWM开关电源变压器一次［5］，超前臂开关管按ZVS作业；当负载电流趋近于零时，电感量增大，阻碍电流反向改动，发明了滞后臂开关管ZCS条件，完成移相全桥ZV-ZCSPWM变换器。

　2.4 谐振变换器

　　选用串联电感或编带磁珠的串联谐振变换器［6］如图5所示。当谐振电感电流作业在接连状况时，开关管为零电压/零电流关断，但注册是硬注册，存在注册损耗。反并联二极管为天然注册，但关断时有反向康复电流，因而，反并联二极管有必要选用快康复二极管。为了减小开关管的注册损耗，完成零电流注册，能够使开关管串联电感或编带磁珠。开关管注册之前，编带磁珠电流为零。当开关管注册时，编带磁珠约束开关管的电流上升率，使开关管电流从零渐渐上升，然后完成开关管的零电流注册，一起改进了二极管的关断条件，消除了反向康复疑问。

　　2.5 逆变电源

　　逆变电源以其操控功能好，功率高，体积小等许多长处，被广泛用于自动操控，电力电子及精密仪器等各个方面。它的功能与整个体系的质量休戚相关，尤其是电源的动态功能。因为逆变电源本身的特色，其动态特性一向不行抱负。

　　选用PWM和PFM操控的逆变电源，其作业原理决议了要得到滑润的电流电压波形，有必要在其输出电路上加续流电感，而该电感正是影响逆变电源动态功能的首要因素。关于恒压源，电感电流与负载彻底成反比联系；关于可控恒流源，要使电感电流由小变大，必定要以小的负载值作为条件，虽然不是彻底的对应联系，但能够说电流的改动在某种程度上反映了负载的改动。

　　因而，选用随电流增大而减小的电感作为逆变电源的输出电感，可有用地改动电源输出电路的时刻常数T，使其彻底与R成反比（T=L/R），进而在负载改动规模内维持在一个相对较小的数值上，这样天然会进步动态功能。

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