开关电源中磁元件.doc

第二部分 开关电源中磁元件 第五章 变换器中磁芯的工作要求 在功率变换中，应用了多种磁性元件：如脉冲、功率变压器，交、直流滤波电感，交、直流互感器，EMC滤波电感以及谐振和缓冲吸收电感等。但就磁芯工作状态主要分为四种，其代表性功率电路—Buck变换器滤波电感、正激、推挽变压器和磁放大器中磁元件磁芯就属于这四种工作状态. 5.1 Ⅰ类工作状态－Buck变换器滤波电感磁芯 L + S iL Io Uo D Co R1 PWM Ui R2 Ue RL Ur - (a) UL (b) o t T UI Uo iS ΔI (c) o Ton t iL(φ) Io (d) o t 图 5.1 基本Buck变换器及其波形图 图5.1(a)所示为输出与输入共地的Buck变换器的基本电路。输出由R1和R2取样，与基准Ur比较、误差放大，然后与三角波比较，输出PWM信号，去控制功率开关S的导通时间。假设电路进入稳态，Uo为常数，L为线性电感。开关S闭合时，输入电压Ui与输出电压Uo之差加到电感L上(图5.1(b))，续流二极管D截止，电感中电流线性增长(图(d))，直至开关打开前，电感存储能量。当开关打开时，电感中电流趋向减少，电感产生一个反向感应电势，试图维持原电流流通方向，迫使二极管D导通，将电感中的能量传输到输出电容和负载，电感放出能量，电感电流线性下降。电感电流增加量（ΔI=(Ui- Uo)Ton/L）应当等于减少量（UoTof/L）,由此得到Uo＝TonUi/T=DUi。通过改变功率开关的占空度D，就可以控制每个周期导通期间存储在电感中的能量，从而控制了变换器的输出电压。 图5.1(d)中，电感电流在整个周期内流通（可以过零或反向），电感这种状态称为电流连续状态。电感电流的平均值，即纹波的中心值等于输出电流Io。当输出电流下降时，电感电流的变化率没有改变，斜坡的中心值在下降。当输出电流达到变化量的一半时，斜坡的起始端达到零(图5.1(d)中虚线三角波)。这种工作状态称为电感电流临界连续。 Ub o t ic o t φ o t 图5.2 电感电流断续波形 如果再继续减少负载电流，即增大负载电阻，输出电压将要增加。负反馈电路使得功率开关导通时间减少，以保持输出电压稳定。虽然电流变化率不变，电流变化量减少。因此，在下一个导通时间到来之前电感电流已下降到零。电感电流开始断续(图5.2)。此时，为了保持输出电压稳定，占空度随负载电流变化很大。 在电感电流断续前，一直保持Uo=DUi(D=Ton/T－占空度)。由于功率开关导通压降和线圈电阻压降随输出电流减少，导通时间轻微地改变。进入断续以后，Uo=DUi不再成立。 电感电流断续似乎不是缺点：功率开关在零电流条件下开通，而二极管在零电流下关断。与电感电流连续比较，处理同样的功率，需要电感量较小。电感小，体积小，并有较好的动态性能。然而，整个负载范围内电感电流断续，导通时间存储在电感中的能量根据式(2.4)有 (5.1) 式中Ip－峰值电流。在截止时间内将导通时存储在电感中的能量全部传输到负载。存储在磁芯线圈中的能量与线圈电感量和电流的平方成正比。在一定的工作频率下，当输出功率一定时，峰值电流很大。磁芯中磁感应变化同样很大。 如果与电流连续时输出电流相同，功率开关和二极管的峰值电流几乎成倍增加，导通损耗增加；同时功率开关关断损耗大大增加。电流的脉动分量加大，在下一章将看到，磁芯和线圈以及输出滤波电容的损耗将显著增加。因此，在整个负载范围内电流断续仅用于