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開關電源電感充放電曲線
開關電源電感充放電曲線
更新时间:2025-04-02 12:52:08
1、磁性材料

所有做高頻電力電子系統及開關電源的工程師都離不開電感、變壓器或電機等感性元件。感性元件内部具有磁芯,磁芯由磁性材料加工而成,感性元件高頻開關工作過程中,磁性材料反複磁化。磁化過程中,磁滞回線就是表征磁感應強度B與磁場強度H之間的關系的曲線,如圖1所示。

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)1

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)2

圖1:特定磁性材料的磁滞回線

磁性材料确定後,其對應的磁滞回線也就确定:

B = μ·H

其中,μ為磁性材料在空氣的磁導率。

磁感應強度B的改變滞後于磁場強度H的現象稱為磁滞現象。圖2中,磁滞回線表示磁性材料工作的最大邊界,Bs為飽和磁通密度(飽和磁感應強度),Br為剩餘磁感應強度,Hc為矯頑力。

2、磁芯

如果将磁性材料燒結成一定的形狀,制作成磁芯,比如E形、環形等,磁芯具有一定幾荷尺寸:截面積、磁路長度。由下面的公式:

F = H·l

Φ = B·Ae

其中,Φ為磁通量,Ae為磁芯截面積,F為磁勢,l為磁路長度。

圖2中,X軸由H變成F,Y軸由B變為Φ,磁滞回線對應的是磁通量Φ和磁勢F的關系曲線,也就是由特定磁性材料制成具一定形狀磁芯的磁滞回線,即:

Φ = μ1·F

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)3

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)4

圖2:磁芯的磁滞回線

3、感性元件:電感及變壓器

磁芯加上繞組線圈,組成感性元件,如電感、變壓器等,由公式:

i = H·l/N -- 安培電流定理

V = N·dΦ /dt -- 法拉利定理

其中,i為線圈繞組的電流,N為線圈繞組匝數,V為感應電壓。

同樣的,圖3中,X軸變成i,Y軸變成V,磁滞回線對應的是感應電壓V和電流i的關系曲線,也就是感性元件的磁滞回線,表示感性元件的磁工作特性。

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)5

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)6

圖3:感性元件的磁滞回線

從上面過程可以看到:磁和電是相互聯系,相互轉化,也就是磁電不分家的特性。如果在磁芯中加入氣隙,由磁路的公式:

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)7

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)8

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)9

其中,μe為有效磁導率。

磁芯帶有氣隙後,等效的磁導率降低,同樣的繞組匝數,電感量降低,在同樣的電壓下,需要更大的磁化電流,因此不易飽和,也就是對于同樣的繞組匝數,磁芯加氣隙,電感或變壓器的飽和電流增加。

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)10

圖4:加氣隙後的磁滞回線

4、單端及雙端變換器

如果磁芯隻工作在第一象限,如圖5所示,這樣的變換器稱為單端變換器,如:Buck,Boost,Buck-Boost,Cuk,Sepic,反激Flyback,正激Forward變換器等。

每一個開關周期從激磁到去磁,當開關周期結束時,工作點必須回到起始位置,否則工作點會偏入到右上部分飽和區域,磁導率急劇下降,磁芯飽和。每個開關周期結束時磁芯工作點必須回到起始點的特性,稱為磁通複位:

△Φ激磁 = △Φ去磁‍

‍ V = N·dΦ/dt

△Φ = △B·Ae

由以上公式得到:V激磁·△T激磁 = V去磁·△T去磁,這就是所謂的伏秒值平衡。工作于連續模式BUCK變換器:(Vin-Vo)·△Ton = Vo‍·△Toff,本質上,磁通複位和伏秒值平衡的概念是一緻的。

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)11

圖5:單端變換器磁芯工作狀态

如果磁芯隻工作在第一、三象限,如圖6左圖所示,正向和負向激磁是對稱的,這樣的變換器稱為雙端變換器,如推挽Push-Pull,半橋Half-Bridge,全橋Full-Bridge變換器等。磁芯在正、負二個方向工作,磁通可以自行複位。

有源鉗位反激變換器、有源鉗位正激變換器,磁芯工作在正向、負向激磁不對稱狀态,如圖6右圖所示。

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)12

圖6:雙端變換器磁芯對稱工作狀态,有源鉗位反、正激變換器磁芯非對稱工作狀态

5、電感及變壓器飽和電流

電感及變壓器的電流增加時,磁芯會飽和,μ急劇降低,也就是電感L會急劇下降,理想狀态下,μ=0,相當于電感及變壓器的電感為0,變成空心的線圈。電感及變壓器的飽和電流通常定義為:電感值降低10%的電流值,有些公司定義為降低30%的電流值。

開關電源電感充放電曲線(簡答電源3)13

圖7:電感飽和電流

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