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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 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 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（ I=( Ui- Uo)Ton/L）应当等于减少量（ U oTof/L） ,由此得到 Uo＝ TonUi/T=DU i。  L + S i L Io Uo D Co R1 PWM U i R2 Ue - RL Ur (a) U L (b) o T U I Uo t iS I (c) o Ton t i L(φ ) I o (d) o t 图 5.1 基本 Buck 变换器及其波形图 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。 如果再继续减少负载电流，即增大负载电阻，输出电 U b 压将要增加。负反馈电路使得功率开关导通时间减少，以 o t ic 保持输出电压稳定。虽然电流变化率不变，电流变化量减 o t 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 φ 稳定，占空度随负载电流变化很大。 o t 在电感电流断续前，一直保持U o=DU i(D =Ton/T－占空 图 5.2 电感电流断续波形 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 =DU i 不再成立。 64 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 ( 2.4) 有 W 1 LI 2 (5.1) m 2 p 式中 I p－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小功率。 电感电流连续波形如图 5.1(d) 所示。电感电流是一个脉动 B 分量叠加一个很大的直流分量上。对应磁芯中一个交变磁通分 B 5.3 所示。磁芯 量叠加在一个直流偏磁上。磁芯工作状态如图 H H 工作在很大直流偏置的局部磁化曲线上。 如果电感 L=N2μ 0μ eAe/l e 为线性电感，即磁芯有效磁导率 μ e 为常数。因此磁感应 B 为 0 H B L I (5.2) NAe 图 5.3 反激式磁芯工作状态 式中 I －电感电流变化量； N－电感线圈匝数； Ae－磁芯有效 截面积。对于直流分量 B 0 e NI LI (5.3) l e NAe 可见，磁感应（磁通）变化波形与电流变化波形一样。即 I B (5.4) 2k B 如果保证在整个负载范围电感电流连续，这样电感体积太大；权衡体积、损耗，功率 器件等因素，一般允许在电感电流下降到 10％额定输出电流（