飽和電感的分類及其物理特性

飽和電感的分類
   
飽和電感可分為自飽和和可控飽和二類。

自飽和電感（Saturable inductor）
   
其電感量隨通過的電流大小可變。若鐵心磁特性是理想的（例如呈矩形）
，如圖1（a）所示，則飽和電感工作時，類似於一個“開關”，即繞組中的電流小時，鐵心不飽和
，繞組電感很大，相當於“開路”；繞組中電流大時
，鐵心飽和
，繞組電感小，相當於開關“短路”。

可控飽和電感（controlled saturable inductor）
   
又稱可控飽和電抗器（controlled saturable reactor），qijibenyuanlishi，daitiexindejiaoliuxianquanzaizhiliujicizuoyongxia，youyujiaozhiliutongshijici，shitiexinzhuangtaiyizhouqineianjubucihuixianbianhua，yinci，gaibianletiexindengxiaocidaolvhexianquandiangan。ruotiexincitexingshilixiangde（B－H特性呈矩形）
，則可控飽和電感類似於一個“可控開關”。在開關電源中，應用可控飽和電感可以吸收浪湧，抑製尖峰，消除振蕩，與快速恢複整流管串聯時可使整流管損耗減小。如圖1（b）所示，可控飽和電感具有高磁滯回線矩形比（Br/Bs），高起始磁導率μi，低矯頑力Hc，明顯的磁飽和點（A

，B）及由於其磁滯回線所包圍的麵積狹小而使其高頻磁滯損耗較小等特征。為此
，可控飽和電感在應用方麵的兩個顯著特點為
   
1）由於飽和磁場強度很小
，所以，可飽和電感的儲能能力很弱，不能被當作儲能電感使用。可飽和電感的最大儲能Em的理論值可用式（1）表示。

Em=μVH2/2    （1）
式中：μ為臨界飽和點磁導率
；
H為臨界飽和點磁場強度
；
V為磁性材料的有效體積。
   
2）由於可飽和電感的起始磁導率高，磁阻小，電感係數和電感量都很大，在施加外部電壓時，電感內部起始電流增長緩慢，隻有經過Δt的延時後，當電感線圈中的電流達到一定數值時，可飽和電感才會立即飽和

，因而在電路中常被當作可控延時開關元件使用。

(a)理想磁特性B=f(H)                     (b)可飽和電感的B=f(H)
圖1：飽和電感的B－H特性

可飽和電感隨電流變化的關係
   
因為，有氣隙和無氣隙的dB/di磁路的計算方法不同，所以，分別對兩種情況進行討論。

無氣隙可飽和電感與電流的關係
   
無氣隙可飽和電感L隨電流變化的關係可用式（2）表示。

式中：W為電感繞組匝數
；
I為激磁電流；
f為電感用磁性材料B～H曲線的對應函數；
S為磁性材料的截麵積；
l磁性材料的為平均長度。

有氣隙可飽和電感與電流的關係
   
任意給定一個導磁體磁路中磁感應強度B1
，可由B=f(H)曲線求出導磁體磁路中的磁場強度H1。氣隙中的H0值可用式（3）表示。

式中：B0為空氣隙磁感應強度；
a和b為磁路矩形截麵積邊長；
l0為氣隙長度

；
μ0為空氣磁導率。

由磁路定律得。改變B值並重複上述步驟，可求出相應的I，得到一組B和I的關係數據。設這個B與I對應的函數為B=f1(I)。
   
在不考慮漏感時，電感的計算式可用式（4）表示。

式中：φ為磁路磁通量。
則有氣隙可飽和電感與電流的關係為
L=WSf1(I)    （5）

飽和電感在開關電源中的應用

尖峰抑製器
   
開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)中(zhong)尖(jian)峰(feng)幹(gan)擾(rao)主(zhu)要(yao)來(lai)自(zi)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)管(guan)和(he)二(er)次(ci)側(ce)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)的(de)開(kai)通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)瞬(shun)間(jian)。具(ju)有(you)容(rong)易(yi)飽(bao)和(he)，儲(chu)能(neng)能(neng)力(li)弱(ruo)等(deng)特(te)點(dian)的(de)飽(bao)和(he)電(dian)感(gan)能(neng)有(you)效(xiao)抑(yi)製(zhi)這(zhe)種(zhong)尖(jian)峰(feng)幹(gan)擾(rao)。將(jiang)飽(bao)和(he)電(dian)感(gan)與(yu)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)串(chuan)聯(lian)，在(zai)電(dian)流(liu)升(sheng)高(gao)的(de)瞬(shun)間(jian)，它(ta)呈(cheng)現(xian)高(gao)阻(zu)抗(kang)，抑(yi)製(zhi)尖(jian)峰(feng)電(dian)流(liu)，而(er)飽(bao)和(he)後(hou)其(qi)飽(bao)和(he)電(dian)感(gan)量(liang)很(hen)小(xiao)，損(sun)耗(hao)小(xiao)。通(tong)常(chang)將(jiang)這(zhe)種(zhong)飽(bao)和(he)電(dian)抗(kang)器(qi)作(zuo)為(wei)尖(jian)峰(feng)抑(yi)製(zhi)器(qi)。
   
在圖2所示電路中

，當S1導通時
，D1導通，D2截至，由於可飽和電感Ls的限流作用
，D2中流過的反向恢複電流的幅值和變化率都會顯著減小，從而有效地抑製了高頻導通噪聲的產生。當S1關斷時，D1截至，D2導通，由於Ls存在著導通延時時間Δt，這將影響D2的續流作用，並會在D2的負極產生負值尖峰電壓。為此，在電路中增加了輔助二極管D3和電阻R1。

圖2：尖峰抑製器的應用

磁放大器
   
磁ci放fang大da器qi是shi利li用yong可ke控kong飽bao和he電dian感gan導dao通tong延yan時shi的de物wu理li特te性xing，控kong製zhi開kai關guan電dian源yuan的de占zhan空kong比bi和he輸shu出chu功gong率lv。該gai開kai關guan特te性xing受shou輸shu出chu電dian路lu反fan饋kui信xin號hao的de控kong製zhi，即ji利li用yong磁ci芯xin的de開kai關guan功gong能neng，通tong過guo弱ruo信xin號hao來lai實shi現xian電dian壓ya脈mai衝chong脈mai寬kuan控kong製zhi以yi達da到dao輸shu出chu電dian壓ya的de穩wen定ding。在zai可ke控kong飽bao和he電dian感gan上shang加jia上shang適shi當dang的de采cai樣yang和he控kong製zhi器qi件jian，調tiao節jie其qi導dao通tong延yan時shi的de時shi間jian，就jiu可ke以yi構gou成cheng最zui常chang見jian的de磁ci放fang大da器qi穩wen壓ya電dian路lu。
   
磁放大器穩壓電路有電壓型控製和電流型控製兩種。圖3為電壓型複位電路，它包括電壓檢測及誤差放大電路
，複位電路和控製輸出二極管D3，它是單閉環電壓調節係統。

圖3：磁放大器電壓型複位穩壓電路  

圖4所示為移相全橋ZVS-PWM開關電源磁放大器穩壓器。全橋開關電路變壓器二次雙半波整流各接一個磁放大器SR，其鐵心繞有工作繞組和控製繞組。在正半周
，當某輸出整流管正偏（另一輸出整流管反偏），變壓器副邊輸出的方波脈衝加在相應的工作繞組上

，使SR鐵心正向磁化（增磁）；在負半周，該輸出整流管反偏
，和控製繞組串聯的二極管D3正偏導通，在直流控製電流Ic的作用下，使該SR的鐵心去磁（複位）。

圖4：移相全橋ZVS-PWM開關電源磁放大器穩壓器 

控製電路的工作原理是：開關電源輸出電壓與基準比較後，經誤差放大控製MOS管的柵極，MOS管提供與輸出電壓有關的磁放大器SR的控製電流Ic。

移相全橋ZVS-PWM變換器
   
移相全橋ZVS-PWM變換器結合了零電壓開關準諧振技術和傳統PWM技術兩者的優點，工作頻率固定
，在換相過程中利用LC諧振使器件零電壓開關，在換相完畢後仍然采用PWM技ji術shu傳chuan送song能neng量liang，控kong製zhi簡jian單dan，開kai關guan損sun耗hao小xiao，可ke靠kao性xing高gao，是shi一yi種zhong適shi合he於yu大da中zhong功gong率lv開kai關guan電dian源yuan的de軟ruan開kai關guan電dian路lu。但dan當dang負fu載zai很hen輕qing時shi，尤you其qi是shi滯zhi後hou橋qiao臂bi開kai關guan管guan的deZVS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，能擴大輕載下開關電源滿足ZVS條tiao件jian的de範fan圍wei。將jiang其qi應ying用yong於yu弧hu焊han逆ni變bian電dian源yuan中zhong
，可ke減jian少shao附fu加jia環huan路lu能neng量liang和he有you效xiao占zhan空kong比bi的de損sun失shi，在zai保bao證zheng效xiao率lv的de基ji礎chu上shang，擴kuo展zhan了le零ling電dian壓ya切qie換huan的de負fu載zai範fan圍wei，提ti高gao了le軟ruan開kai關guan弧hu焊han逆ni變bian電dian源yuan的de可ke靠kao性xing。
   
將飽和電感與開關電源的隔離變壓器二次輸出整流管串聯，可消除二次寄生振蕩
，減小循環能量
，並使移相全橋ZVS-PWM開關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開關電源變壓器一次

，超前臂開關管按ZVS工作；當負載電流趨近於零時，電感量增大，阻止電流反向變化，創造了滯後臂開關管ZCS條件
，實現移相全橋ZV-ZCSPWM變換器。

諧振變換器
   
采用串聯電感或飽和電感的串聯諧振變換器如圖5所示。當諧振電感電流工作在連續狀態時
，開關管為零電壓/lingdianliuguanduan，dankaitongshiyingkaitong，cunzaikaitongsunhao。fanbinglianerjiguanweizirankaitong，danguanduanshiyoufanxianghuifudianliu

，yinci
，fanbinglianerjiguanbixucaiyongkuaihuifuerjiguan。weilejianxiaokaiguanguandekaitongsunhao，shixianlingdianliukaitong
，keyishikaiguanguanchuanliandianganhuobaohediangan。kaiguanguankaitongzhiqian，baohediangandianliuweiling。dangkaiguanguankaitongshi，baohedianganxianzhikaiguanguandedianliushangshenglv

，shikaiguanguandianliuconglingmanmanshangsheng，congershixiankaiguanguandelingdianliukaitong，tongshigaishanleerjiguandeguanduantiaojian，xiaochulefanxianghuifuwenti。

圖5：諧振變換器

逆變電源
   
逆(ni)變(bian)電(dian)源(yuan)以(yi)其(qi)控(kong)製(zhi)性(xing)能(neng)好(hao)
，效(xiao)率(lv)高(gao)，體(ti)積(ji)小(xiao)等(deng)諸(zhu)多(duo)優(you)點(dian)，被(bei)廣(guang)泛(fan)用(yong)於(yu)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)，電(dian)力(li)電(dian)子(zi)及(ji)精(jing)密(mi)儀(yi)器(qi)等(deng)各(ge)個(ge)方(fang)麵(mian)。它(ta)的(de)性(xing)能(neng)與(yu)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)品(pin)質(zhi)息(xi)息(xi)相(xiang)關(guan)，尤(you)其(qi)是(shi)電(dian)源(yuan)的(de)動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)。由(you)於(yu)逆(ni)變(bian)電(dian)源(yuan)自(zi)身(shen)的(de)特(te)點(dian)，其(qi)動(dong)態(tai)特(te)性(xing)一(yi)直(zhi)不(bu)夠(gou)理(li)想(xiang)。
   
采用PWM和PFMkongzhidenibiandianyuan，qigongzuoyuanlijuedingleyaodedaopinghuadedianliudianyaboxing，bixuzaiqishuchudianlushangjiaxuliudiangan，ergaidianganzhengshiyingxiangnibiandianyuandongtaixingnengdezhuyaoyinsu。duiyuhengyayuan，diangandianliuyufuzaiwanquanchengfanbiguanxi；duiyukekonghengliuyuan
，yaoshidiangandianliuyouxiaobianda，biranyaoyixiaodefuzaizhizuoweiqianti
，jinguanbushiwanquandeduiyingguanxi，dankeyishuodianliudebianhuazaimouzhongchengdushangfanyinglefuzaidebianhua。
   
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間常數T，使其完全與R成反比（T=L/R），進而在負載變化範圍內維持在一個相對較小的數值上，這樣自然會提高動態性能。