磁放大器穩(wěn)壓器中控制電感的設(shè)計(jì)

磁放大器穩(wěn)壓器中控制電感的設(shè)計(jì)摘要：介紹了磁放大器穩(wěn)壓器的工作原理，推導(dǎo)了其中控制電感的設(shè)計(jì)方法，并給出了一個設(shè)計(jì)實(shí)例1弓|言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的供電電源越來越復(fù)雜：供電電源的電壓路數(shù)增多；每一路電壓的穩(wěn)壓精度要求越來越高。一般的開關(guān)穩(wěn)壓電源，只有一個次級輸出電壓是通過初級電壓進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)的，其它的次級輸出電壓都保持開環(huán)狀態(tài)。這些輸出電壓的動態(tài)特性由負(fù)載以及初級輸入電壓所決定。要控制彼此獨(dú)立的、不同的各路輸出電壓，就要運(yùn)用不同的調(diào)節(jié)原理。高頻磁放大器穩(wěn)壓器以其低成本、高效率、高穩(wěn)壓精度而又可靠的解決方案，在多路輸出的穩(wěn)壓電源中得到了廣泛應(yīng)用。目前的高頻磁放大器穩(wěn)壓器的輸出功率范圍介于20W到1500W,輸出電流范圍介于1A到30A，輸出電壓可低到33，2v完全可適應(yīng)現(xiàn)在低工作電壓的半導(dǎo)體器件的需要。2高頻磁放大器穩(wěn)壓器工作原理磁放大器穩(wěn)壓器是通過調(diào)節(jié)主變壓器次級側(cè)的脈沖寬度來達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的。一個典型的正激變換器的二次側(cè)磁放大器穩(wěn)壓器的原理圖如圖1所示。恒［也故北村利壓靚由圖1可見，磁放大器穩(wěn)壓器中的關(guān)鍵部件是控制電感L和復(fù)位控制電路?？刂齐姼惺怯删哂芯匦蜝H回線的磁芯及其上的一個繞組組成。該繞組兼起工作繞組和控制繞組的作用。磁芯的工作點(diǎn)如圖2所示。由圖2可見，當(dāng)磁芯工作于點(diǎn)①時，磁芯飽和，控制電感的阻抗|Z|接近于0,控制電感器相當(dāng)于短路。當(dāng)磁芯工作于點(diǎn)②時，磁芯處于復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位（Reset）是指磁通到達(dá)飽和后的去磁過程，使磁通或磁密回到原來工作點(diǎn)的數(shù)值，稱為磁通復(fù)位。由于磁放大器穩(wěn)壓器所用磁芯材料的特點(diǎn)（良好的矩形BH回線及高的磁導(dǎo)率）以及開關(guān)電源工作于高頻（100kHz左右），使得此時的控制電感對輸入脈沖呈現(xiàn)高阻抗，相當(dāng)于控制電感開路。實(shí)際上，飽和和復(fù)位時控制電感的阻抗可達(dá)到3?4個數(shù)量級的快速變化。圖3示出了當(dāng)磁芯材料為鉆基非晶態(tài)合金時，繞組電感L隨直流控制電流Ide的變動而變化的特性。因此，控制電感相當(dāng)于一只可控磁開關(guān),其輸入脈沖電壓由開關(guān)電源高頻變壓器副邊供給，正半周脈沖前沿時間由初級主開關(guān)導(dǎo)通時間決定，脈沖幅值為U1。正半周期D1,D3截止，D2正偏，能量經(jīng)過控制電感L1傳輸給負(fù)載，負(fù)半周期D2截止，復(fù)位電壓（也是控制電壓）Uc使D1導(dǎo)通，磁芯去磁。圖2也朝電感超總的工作點(diǎn)蹲3 圖2也朝電感超總的工作點(diǎn)蹲3 后備非品臺全城志上吃制世電值葉收制電潦時矍化曲線圖4表示了穩(wěn)壓器的工作情況。⑶電路 tbi⑶電路 tbi工作就崽遛4幅就北焉也任潟灼工作用理假定輸出電壓UO1為3憶輸入脈沖幅值ui為10V,占空比為50%,脈沖周期為20設(shè)在t=0時刻以前，由于控制電感Li飽和，U3為+10V；在t=0時，ui變負(fù)，設(shè)Uc=-6V,前半周期0?10內(nèi)，ui一直保持一10V,在這一段時間內(nèi)，控制電感一直處于復(fù)位區(qū)?，其特性可用？的面積SA(伏秒積數(shù))表示：SA=4xi0=40V在這一段時間內(nèi)，控制電感Li作為一個高阻抗的電感，阻止電流流過它，保持U2=0,直到t=10S寸。當(dāng)t=i0時，ui變?yōu)?i0V,使控制電感進(jìn)入飽和狀態(tài)區(qū)？。這一時間間隔為4，它與十10V的乘積SB等于SA,即：SB=i0x4=40V因此有UOi=uiTon/T=i0x(6/20)=3V(DC)

酒5圖】也茸中各蘢布工作總導(dǎo)圖1電路的各點(diǎn)波形如圖5酒5圖】也茸中各蘢布工作總導(dǎo)3磁放大控制電感的設(shè)計(jì)磁放大器穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)包括控制電感的設(shè)計(jì)和控制電路的設(shè)計(jì)，本文只給出控制電流（復(fù)位電流）的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，控制電路的拓?fù)溥x擇及詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，請參閱參考文獻(xiàn)[1][2][3]。控制電感的設(shè)計(jì)是根據(jù)穩(wěn)壓器的外部要求，求出合適的磁芯型號及繞組參數(shù)。本文的設(shè)計(jì)計(jì)算以VITROVAC6025Z磁芯為基礎(chǔ)進(jìn)行。VITROVAC6025Z環(huán)形磁芯采用德國VAC公司為高頻磁放大器穩(wěn)壓器的控制電感研制的專用帶狀非晶共基合金材料，由環(huán)形帶繞制的磁芯加有塑料保持外罩，可在其上直接繞線。VITROVAC6025Z磁芯的典型磁特性和型號分別如表1和表2所示?！鯨\仃曲I4C6025Z—性背性符號啤型瓶飽卬超通密度壯密：卜昆o.S8T飽和「致伸鼎T'K1丸<6,2x101居丁一度T24n(.雙槌呼通潛出■:"口1.1411.0T0rST*mini在控制電感的設(shè)計(jì)中，一般給定的條件有：電路拓?fù)洌簡味苏な交蛲仆焓剑ê霕颉⑷珮蚴剑?；輸出電壓U1；主電路壓降；輸出有或沒有短路保護(hù)。設(shè)計(jì)結(jié)果：磁芯有效截面積AFe，選定磁芯型號；果2VITKOVAC6025Z隈芯型號及屏草尺寸/mAi/Quin//NJ/屏/cm;/tinmi-/K10%門代卜｛120國)1t/tiWfa/u需1，DMi/rm￥iK/wrPariNunabrr/rrt1TWWOt-E446萬」J.0/5,10.0ML騁OK6.2 4.3通調(diào)i.^l796.004…Oufi-Wit-26.J/5.\A.5/5.7U.0592.561.26.8 4.72.t5610.012...009-W5329.7/11.i6,7/5.」fi.O/Z7fi.O72).483 180.057254560QI*...009-U553IOlC/IJ.在8.0/6.5J.O/S.10.032工S30.73.7 2.60一明22.O)0.011,,.0lO-WS34

2ftOZjJ.5l2.5ZlO,J8.1)71020.240J.19427,619,2口.2ft&4.D5260.200一口卻-焦53區(qū)15,0/27.9Mi.Cl/11.G10.012.5U.360ft.+41工產(chǎn)4r騙&0.刈4.96190,523...023-中541250/27.72ii.U/n.11U,0/12.4?0.2007J10V23.0160o.iba4.9tIX0.459...025-W34230,0/JJ.K 61421工5U.4007.8524.246.032.0a.?n5.叼16o.m..t)3€-40山MK]25.0/22,415.0⑶S。用鉆JO.367-之9JJ.368.40.97S7.43113.547...tMO-U54J4a山」，352.fi/2M.H15.0/IH.3(J.456u.y39.752.432L4E2工都103.12?--WO-4s華K/華K/IX,1?5/7.93.24.80.0423.SO1.14.8.140.⑵2打13.0/14.D總加&&0.0^21141.18,3OOH?工”ILV1?,010.WK5?a050J.53L3S.8Ol13。2.14』"工5U.G/6.5J.S/5.70,IOS丸L<>ll4K.ft0.0K22,53IL財(cái)1工9(fl.0/S.260/8.2口.144■QIJ3H*11」0.3313.2)0P.VL?,112.5/10.中KO/S,1Q,l&J.7113.V0.231VM11第212110/110土。G30,。的5.J4J.39;6.40.3M3.170.021...D12-H4M0025. -U541QL02?…n12-H5350.0J6...U]J-UJXIQlO76...01*-VJ3A(L112,..017-T531OHM...CIS-U539a：/,—■芯力尊外柱；——稽芯體淮內(nèi)柱；麻——?芯標(biāo);*篇庾；"——外事改大，卜糙；5一外革?小內(nèi)役；繞組匝數(shù)N；X一母不長大禹及；4*.一修牛肓被鼠面也；L.—牛埼長度：Q.一罐陷**:4.—獻(xiàn)統(tǒng)做為忸：tu一■?!角干與去度：JU 4狀的文芯壯娘的依阻；W.xA,. ―工面飄臬你.B. 井繞組匝數(shù)N；?.一攵總員.6-=2xH.x4..： 6...——全履道在IHH：時的鼠小使銅線直徑dcu；纏繞面積Acu。設(shè)計(jì)過程要予以考慮的因素：磁放大器控制電路的壓降（即控制電感上的壓降）UReg；磁芯損耗（鐵損PFe）；銅損耗PCu；控制電感的最大死區(qū)。根據(jù)上面的提示，一般的設(shè)計(jì)步驟如下：1）決定線匝銅線的尺寸由輸出電流的大小決定，一般選電流密度為 4Amm22）計(jì)算控制電感的控制電壓UReg。對于無短路保護(hù)的電路：URegDmaxUmiUOi⑴式中：UO1要求的輸出電壓（V）；Umin 次級繞組電壓幅值的最小值（V）；Dmax 初級開關(guān)管占空比的最大值；系數(shù)，對單端正激變換器 ，1對推挽式變換器（含半橋、全橋）2對于有短路保護(hù)要求的電路，則有：URegDmaxUmin（2）（請讀者注意，磁放大器穩(wěn)壓器不適用于反激式變換器）。3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，從表2中選一種磁芯型號，查找AFe等參數(shù)磁芯的選擇一般從小到大，直到所要求的匝數(shù)很容易纏滿磁芯一層為止。4）計(jì)算所需的匝數(shù)N鼻n 第乂口He {,?式中：f次級輸出方波的頻率（kHz）；yes”> 雙極磁通密度，取0.8T；K 雙極磁通密度 的校正因子，用于限制由于磁芯損耗引起的溫升。圖6示出了VITROVAC6O25Z中相關(guān)型號校正因子K的相關(guān)曲線。5）磁芯及銅損耗計(jì)算磁芯損耗PFe（近似值）氏=0021/xA?u7+0.109x/- '(w/kg) 川式中心題.一歷式舊)磁芯溫升上幾3幾二億x%xmr,（KJ式中：Rth 對流的空芯繞組的熱阻（K/W）；留白TiTEMWACM”反盛芯用于大的如算盤升的經(jīng)腆粒正因子 一 三八、mFe磁芯質(zhì)量（kg）。銅損耗PCu（近似值，未考慮趨膚及鄰近效應(yīng)）心）;伊一（W） ⑹?Ux/I用式中：4——弱的電陰率in-m）;/.——輸出電流r卜L——銅紋長度hmh丸“一一纏繞截面積15門惘線溫升3T.小兒=心乂上（K） （7）6）計(jì)算控制電盅A式中：LFe 磁芯的平均磁路長度（cm）；Hs 復(fù)位場強(qiáng)（mA/cm）?！爱a(chǎn)。小:乂廣氣?粉1 （M）U.O式⑴7）Umin及N的精確調(diào)整在式（1）、式（2）中，Umin是作為已知參數(shù)給出的。實(shí)際設(shè)計(jì)中，主變壓器和控制電感要同時設(shè)計(jì)，這時可將兩者結(jié)合進(jìn)行，這就要用到下面的遞歸過程，同時得到Umin及控制電感的最佳參數(shù)。

遞歸時采用的電路拓?fù)鋮?shù)如圖7所示。遞歸流程圖如圖8所示。4設(shè)計(jì)實(shí)例給定條件單向正激變換器，次級繞組輸出電壓幅值Umin=i2V，開關(guān)頻率f=i50kHz，初級占空比Dmax=0.5，輸出電流Ii=ioA，UOi=3.3V。在下面的計(jì)算中，采用SI單位制，為了計(jì)算方便，將其中的基本單位m改為cm。H ?]1用7主椅也跳破放大趣小藏參撲相&迷歸流投困1）所要求的每條線的截面積計(jì)算S（J取4A/mm2）無短路保護(hù)S=io/4=2.5mm2；有短路保護(hù)S=i0/4=2.5mm2。2）磁放大器控制電感電壓計(jì)算無短路保護(hù)U =xDmaxxUmiUOi=ix0，5xi2—3.3=2.7V；有短路保護(hù)U =xDmaxxUmin=ixo.5xi2=V3）繞組匝數(shù)計(jì)算①第一次計(jì)算無短路保護(hù)選用磁芯T60006 4008 4621 2i=8mm4.6mm4mmAFe=0.054cm2LFe=i.98cmK=1最小匝數(shù)tf10*之了 r->■k'一 —一 .47"1X0.yx1X0,054X(50"-根據(jù)表2,所適用的銅線纏繞面積Acu約為2mm2,因此不可能纏繞面積25mm2的銅線5匝。5mm有短路保護(hù)選用磁芯T60006 4012 5351 2i=i2.5mm10mm5mmAFe=0.05cm2LFe=3.53cmK=1最小匝數(shù)小\也M&二I工5n】i】ikI[hrmiX5iinitid”:0.ty5(hr=3.53A=I戢小最魏2 1^:2 ,2】XOKx1￥口，05x15。根據(jù)表2,所適用的銅線纏繞面積Acu約為14mm2，因此不可能纏繞面積2.5mm2的銅線10匝。②第二次計(jì)算無短路保護(hù)選用磁芯T60006 4012 5351 2 1=12.5mm10mm5mmAFe=0.05cm2LFe=3.53cmK=1最小匝數(shù)dY也xhi=I2.51nHi>：IthiiTiixSjtimI”=3.55rniA=I出小性數(shù)v> _根據(jù)表2,所適用的銅線纏繞面積Acu1x()根據(jù)表2,所適用的銅線纏繞面積Acu約為14mm2,可以使用此磁芯開始進(jìn)行調(diào)試。

2i=i7.5mm12.5mm6m有短路保護(hù)選用磁芯2i=i7.5mm12.5mm6mAFe=0.i2cm2LFe=4.7icmK=0.6最小匝數(shù)J；xt!；xd=I7.$rn】nx12.5nunxfiiinti,4j,=()-!?i'itrAh，-4.7