電感在開關(guān)電路中的工作原理
1.2 可飽和電感隨電流變化的關(guān)系
因?yàn)椋袣庀逗蜔o(wú)氣隙的dB/di磁路的計(jì)算方法不同，所以，分別對(duì)兩種情況進(jìn)行討論。
1.2.1 無(wú)氣隙可飽和電感與電流的關(guān)系
無(wú)氣隙可飽和電感L隨電流變化的關(guān)系可用式（2）表示。
L=（W2S/l）f（WI/l） （2）
式中：W為電感繞組匝數(shù)；
I為激磁電流；
f為電感用磁性材料B～H曲線的對(duì)應(yīng)函數(shù)；
S為磁性材料的截面積；
l磁性材料的為平均長(zhǎng)度。
1.2.2 有氣隙可飽和電感與電流的關(guān)系
任意給定一個(gè)導(dǎo)磁體磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度B1，可由B=f（H）曲線求出導(dǎo)磁體磁路中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1。氣隙中的H0值可用式（3）表示。
H0=B1/μ0==ab/［μ0（a+I0）（b+l0）］B1（3）
式中：B0為空氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；
a和b為磁路矩形截面積邊長(zhǎng)；
l0為氣隙長(zhǎng)度；
μ0為空氣磁導(dǎo)率。
由磁路定律得I=（H1l+H9l0）/W。改變B值并重復(fù)上述步驟，可求出相應(yīng)的I，得到一組B和I的關(guān)系數(shù)據(jù)。設(shè)這個(gè)B與I對(duì)應(yīng)的函數(shù)為B=f1（I）。
在不考慮漏感時(shí)，電感的計(jì)算式可用式（4）表示。
L=（Wdφ）/dI=WS（dβ/dI） （4）
式中：φ為磁路磁通量。
則有氣隙可飽和電感與電流的關(guān)系為
L=WSf1（I） （5）
2 飽和電感在開關(guān)電源中的應(yīng)用
2.1 尖峰抑制器
開關(guān)電源中尖峰干擾主要來(lái)自功率開關(guān)管和二次側(cè)整流二極管的開通和關(guān)斷瞬間。具有容易飽和，儲(chǔ)能能力弱等特點(diǎn)的飽和電感能有效抑制這種尖峰干擾。將飽和電感與整流二極管串聯(lián)，在電流升高的瞬間，它呈現(xiàn)高阻抗，抑制尖峰電流，而飽和后其飽和電感量很小，損耗小。通常將這種飽和電抗器作為尖峰抑制器。
在圖2所示電路中，當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截至，由于可飽和電感Ls的限流作用，D2中流過(guò)的反向恢復(fù)電流的幅值和變化率都會(huì)顯著減小，從而有效地抑制了高頻導(dǎo)通噪聲的產(chǎn)生。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，D1截至，D2導(dǎo)通，由于Ls存在著導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間Δt，這將影響D2的續(xù)流作用，并會(huì)在D2的負(fù)極產(chǎn)生負(fù)值尖峰電壓。為此，在電路中增加了輔助二極管D3和電阻R1。
圖2 尖峰抑制器的應(yīng)用
2.2 磁放大器
磁放大器是利用可控飽和電感導(dǎo)通延時(shí)的物理特性，控制開關(guān)電源的占空比和輸出功率。該開關(guān)特性受輸出電路反饋信號(hào)的控制，即利用磁芯的開關(guān)功能，通過(guò)弱信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓脈沖脈寬控制以達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定。在可控飽和電感上加上適當(dāng)?shù)牟蓸雍?a target="_blank">控制器件，調(diào)節(jié)其導(dǎo)通延時(shí)的時(shí)間，就可以構(gòu)成最常見的磁放大器穩(wěn)壓電路。
磁放大器穩(wěn)壓電路有電壓型控制和電流型控制兩種。圖3所示為電壓型復(fù)位電路，它包括電壓檢測(cè)及誤差放大電路，復(fù)位電路和控制輸出二極管D3，它是單閉環(huán)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
圖3 磁放大器電壓型復(fù)位穩(wěn)壓電路
圖4所示為移相全橋ZVS-PWM開關(guān)電源磁放大器穩(wěn)壓器。全橋開關(guān)電路變壓器二次雙半波整流各接一個(gè)磁放大器SR，其鐵心繞有工作繞組和控制繞組。在正半周，當(dāng)某輸出整流管正偏（另一輸出整流管反偏），變壓器副邊輸出的方波脈沖加在相應(yīng)的工作繞組上，使SR鐵心正向磁化（增磁）；在負(fù)半周，該輸出整流管反偏，和控制繞組串聯(lián)的二極管D3正偏導(dǎo)通，在直流控制電流Ic的作用下，使該SR的鐵心去磁（復(fù)位）。
圖4 移相全橋ZVS-PWM開關(guān)電源磁放大器穩(wěn)壓器
控制電路的工作原理是：開關(guān)電源輸出電壓與基準(zhǔn)比較后，經(jīng)誤差放大控制MOS管的柵極，MOS管提供與輸出電壓有關(guān)的磁放大器SR的控制電流Ic。
2.3 移相全橋ZVS-PWM變換器
移相全橋ZVS-PWM變換器結(jié)合了零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振技術(shù)和傳統(tǒng)PWM技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，工作頻率固定，在換相過(guò)程中利用LC諧振使器件零電壓開關(guān)，在換相完畢后仍然采用PWM技術(shù)傳送能量，控制簡(jiǎn)單，開關(guān)損耗小，可靠性高，是一種適合于大中功率開關(guān)電源的軟開關(guān)電路。但當(dāng)負(fù)載很輕時(shí)，尤其是滯后橋臂開關(guān)管的ZVS條件難以滿足。
將飽和電感作為移相全橋ZVS-PWM變換器的諧振電感，能擴(kuò)大輕載下開關(guān)電源滿足ZVS條件的范圍。將其應(yīng)用于弧焊逆變電源中，可減少附加環(huán)路能量和有效占空比的損失，在保證效率的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了零電壓切換的負(fù)載范圍，提高了軟開關(guān)弧焊逆變電源的可靠性。
將飽和電感與開關(guān)電源的隔離變壓器二次輸出整流管串聯(lián)，可消除二次寄生振蕩，減小循環(huán)能量，并使移相全橋ZVS-PWM開關(guān)電源的占空比損失最小。
除此以外，將飽和電感與電容串接在移相全橋ZVS-PWM開關(guān)電源變壓器一次，超前臂開關(guān)管按ZVS工作；當(dāng)負(fù)載電流趨近于零時(shí)，電感量增大，阻止電流反向變化，創(chuàng)造了滯后臂開關(guān)管ZCS條件，實(shí)現(xiàn)移相全橋ZV-ZCSPWM變換器。
2.4 諧振變換器
采用串聯(lián)電感或飽和電感的串聯(lián)諧振變換器如圖5所示。當(dāng)諧振電感電流工作在連續(xù)狀態(tài)時(shí)，開關(guān)管為零電壓/零電流關(guān)斷，但開通是硬開通，存在開通損耗。反并聯(lián)二極管為自然開通，但關(guān)斷時(shí)有反向恢復(fù)電流，因此，反并聯(lián)二極管必須采用快恢復(fù)二極管。為了減小開關(guān)管的開通損耗，實(shí)現(xiàn)零電流開通，可以使開關(guān)管串聯(lián)電感或飽和電感。開關(guān)管開通之前，飽和電感電流為零。當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，飽和電感限制開關(guān)管的電流上升率，使開關(guān)管電流從零慢慢上升，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電流開通，同時(shí)改善了二極管的關(guān)斷條件，消除了反向恢復(fù)問(wèn)題。
圖5 諧振變換器
2.5 逆變電源
逆變電源以其控制性能好，效率高，體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于自動(dòng)控制，電力電子及精密儀器等各個(gè)方面。它的性能與整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)息息相關(guān)，尤其是電源的動(dòng)態(tài)性能。由于逆變電源自身的特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)特性一直不夠理想。
采用PWM和PFM控制的逆變電源，其工作原理決定了要得到平滑的電流電壓波形，必須在其輸出電路上加續(xù)流電感，而該電感正是影響逆變電源動(dòng)態(tài)性能的主要因素。對(duì)于恒壓源，電感電流與負(fù)載完全成反比關(guān)系；對(duì)于可控恒流源，要使電感電流由小變大，必然要以小的負(fù)載值作為前提，盡管不是完全的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但可以說(shuō)電流的變化在某種程度上反映了負(fù)載的變化。
因此，采用隨電流增大而減小的電感作為逆變電源的輸出電感，可有效地改變電源輸出電路的時(shí)間常數(shù)T，使其完全與R成反比（T=L/R），進(jìn)而在負(fù)載變化范圍內(nèi)維持在一個(gè)相對(duì)較小的數(shù)值上，這樣自然會(huì)提高動(dòng)態(tài)性能。
3 結(jié)語(yǔ)
本文詳述了飽和電感的物理特性及其電感與電流的變化關(guān)系，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了飽和電感在尖峰抑制器，磁放大器，移相全橋ZVS?PWM變換器，諧振變換器和逆變電源中的應(yīng)用情況，并簡(jiǎn)要地分析了它們的工作原理。
2.3 移相全橋ZVS-PWM變換器
移相全橋ZVS-PWM變換器結(jié)合了零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振技術(shù)和傳統(tǒng)PWM技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，工作頻率固定，在換相過(guò)程中利用LC諧振使器件零電壓開關(guān)，在換相完畢后仍然采用PWM技術(shù)傳送能量，控制簡(jiǎn)單，開關(guān)損耗小，可靠性高，是一種適合于大中功率開關(guān)電源的軟開關(guān)電路。但當(dāng)負(fù)載很輕時(shí)，尤其是滯后橋臂開關(guān)管的ZVS條件難以滿足。
將飽和電感作為移相全橋ZVS-PWM變換器的諧振電感，能擴(kuò)大輕載下開關(guān)電源滿足ZVS條件的范圍。將其應(yīng)用于弧焊逆變電源中，可減少附加環(huán)路能量和有效占空比的損失，在保證效率的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了零電壓切換的負(fù)載范圍，提高了軟開關(guān)弧焊逆變電源的可靠性。
將飽和電感與開關(guān)電源的隔離變壓器二次輸出整流管串聯(lián)，可消除二次寄生振蕩，減小循環(huán)能量，并使移相全橋ZVS-PWM開關(guān)電源的占空比損失最小。
除此以外，將飽和電感與電容串接在移相全橋ZVS-PWM開關(guān)電源變壓器一次，超前臂開關(guān)管按ZVS工作；當(dāng)負(fù)載電流趨近于零時(shí)，電感量增大，阻止電流反向變化，創(chuàng)造了滯后臂開關(guān)管ZCS條件，實(shí)現(xiàn)移相全橋ZV-ZCSPWM變換器。
2.4 諧振變換器
采用串聯(lián)電感或飽和電感的串聯(lián)諧振變換器如圖5所示。當(dāng)諧振電感電流工作在連續(xù)狀態(tài)時(shí)，開關(guān)管為零電壓/零電流關(guān)斷，但開通是硬開通，存在開通損耗。反并聯(lián)二極管為自然開通，但關(guān)斷時(shí)有反向恢復(fù)電流，因此，反并聯(lián)二極管必須采用快恢復(fù)二極管。為了減小開關(guān)管的開通損耗，實(shí)現(xiàn)零電流開通，可以使開關(guān)管串聯(lián)電感或飽和電感。開關(guān)管開通之前，飽和電感電流為零。當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，飽和電感限制開關(guān)管的電流上升率，使開關(guān)管電流從零慢慢上升，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電流開通，同時(shí)改善了二極管的關(guān)斷條件，消除了反向恢復(fù)問(wèn)題。
圖5 諧振變換器
2.5 逆變電源
逆變電源以其控制性能好，效率高，體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于自動(dòng)控制，電力電子及精密儀器等各個(gè)方面。它的性能與整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)息息相關(guān)，尤其是電源的動(dòng)態(tài)性能。由于逆變電源自身的特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)特性一直不夠理想。
采用PWM和PFM控制的逆變電源，其工作原理決定了要得到平滑的電流電壓波形，必須在其輸出電路上加續(xù)流電感，而該電感正是影響逆變電源動(dòng)態(tài)性能的主要因素。對(duì)于恒壓源，電感電流與負(fù)載完全成反比關(guān)系；對(duì)于可控恒流源，要使電感電流由小變大，必然要以小的負(fù)載值作為前提，盡管不是完全的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但可以說(shuō)電流的變化在某種程度上反映了負(fù)載的變化。
因此，采用隨電流增大而減小的電感作為逆變電源的輸出電感，可有效地改變電源輸出電路的時(shí)間常數(shù)T，使其完全與R成反比（T=L/R），進(jìn)而在負(fù)載變化范圍內(nèi)維持在一個(gè)相對(duì)較小的數(shù)值上，這樣自然會(huì)提高動(dòng)態(tài)性能。
3 結(jié)語(yǔ)
本文詳述了飽和電感的物理特性及其電感與電流的變化關(guān)系，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了飽和電感在尖峰抑制器，磁放大器，移相全橋ZVS?PWM變換器，諧振變換器和逆變電源中的應(yīng)用情況，并簡(jiǎn)要地分析了它們的工作原理。
電感的基本參數(shù)是什么：
1、電感量L：電感量L表示線圈本身固有特性，與電流大小無(wú)關(guān)。
2、感抗XL ：電感線圈對(duì)交流電流阻礙作用的大小稱感抗XL，單位是歐姆。它與電感量L和交流電頻率f的關(guān)系為XL=2πfL
3、品質(zhì)因素Q ：品質(zhì)因素Q是表示線圈質(zhì)量的一個(gè)物理量，Q為感抗XL與其等效的電阻的比值，即：Q=ωL/R （ω=2πf）線圈的Q值愈高，回路的損耗愈小。線圈的Q值與導(dǎo)線的直流電阻，骨架的介質(zhì)損耗，屏蔽罩或鐵芯引起的損耗，高頻趨膚效應(yīng)的影響等因素有關(guān)。線圈的Q值通常為幾十到幾百。
4、分布電容：線圈的匝與匝間、線圈與屏蔽罩間、線圈與底版間存在的電容被稱為分布電容。分布電容的存在使線圈的Q值減小，穩(wěn)定性變差，因而線圈的分布電容越小越好
5、額定電流：線圈中允許通過(guò)的最大電流。在如高頻扼流圈，大功率諧振線圈，以及作濾波用的低頻扼流圈等場(chǎng)合，工作時(shí)需通過(guò)較大的電流，選用時(shí)應(yīng)注意。
電感量的標(biāo)志方法
?
1.直標(biāo)法。單位H（亨利）、mH（毫亨）、μH（微亨）、
3.色碼表示法。這種表示法也與電阻器的色標(biāo)法相似，色碼一般有四種顏色，前兩種顏色為有效數(shù)字，第三種顏色為倍率，單位為μH，第四種顏色是誤差位。 表面上電阻電容元件很相似 ，但是電感有一個(gè)特點(diǎn)就是它的底顏色是綠色的 。