磁放大器穩壓器中控制電感的設計

摘要：介紹了磁放大器穩壓器的工作原理，推導了其中控制電感的設計方法，并給出了一個設計實例。
關鍵詞：磁放大器穩壓器；控制電感；復位

1引言
隨著電子技術的發展，電子產品和系統的供電電源越來越復雜：供電電源的電壓路數增多；每一路電壓的穩壓精度要求越來越高。一般的開關穩壓電源，只有一個次級輸出電壓是通過初級電壓進行閉環調節的，其它的次級輸出電壓都保持開環狀態。這些輸出電壓的動態特性由負載以及初級輸入電壓所決定。要控制彼此獨立的、不同的各路輸出電壓，就要運用不同的調節原理。高頻磁放大器穩壓器以其低成本、高效率、高穩壓精度而又可靠的解決方案，在多路輸出的穩壓電源中得到了廣泛應用。
目前的高頻磁放大器穩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33V，29V，完全可適應現在低工作電壓的半導體器件的需要。
2高頻磁放大器穩壓器工作原理
磁放大器穩壓器是通過調節主變壓器次級側的脈沖寬度來達到輸出穩壓的目的。一個典型的正激變換器的二次側磁放大器穩壓器的原理圖如圖1所示。

由圖1可見，磁放大器穩壓器中的關鍵部件是控制電感L和復位控制電路。控制電感是由具有矩形BH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。磁芯的工作點如圖2所示。
由圖2可見，當磁芯工作于點①時，磁芯飽和，控制電感的阻抗|Z|接近于0，控制電感器相當于短路。當磁芯工作于點②時，磁芯處于復位狀態。復位（Reset）是指磁通到達飽和后的去磁過程，使磁通或磁密回到原來工作點的數值，稱為磁通復位。由于磁放大器穩壓器所用磁芯材料的特點（良好的矩形BH回線及高的磁導率）以及開關電源工作于高頻（100kHz左右），使得此時的控制電感對輸入脈沖呈現高阻抗，相當于控制電感開路。實際上，飽和和復位時控制電感的阻抗可達到3～4個數量級的快速變化。圖3示出了當磁芯材料為鈷基非晶態合金時，繞組電感L隨直流控制電流Ide的變動而變化的特性。因此，控制電感相當于一只“可控磁開關”，其輸入脈沖電壓由開關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導通時間決定，脈沖幅值為u1。正半周期D1，D3截止，D2正偏，能量經過控制電感L1傳輸給負載，負半周期D2截止，復位電壓（也是控制電壓）Uc使D1導通，磁芯去磁。

圖4表示了穩壓器的工作情況。假定輸出電壓UO1為3V，輸入脈沖幅值u1為10V，占空比為50％，脈沖周期為20μs。設在t=0時刻以前，由于控制電感L1飽和，u3為＋10V；在t=0時，u1變負，設 Uc=－6V，前半周期0～10μs內，u1一直保持－10V，在這一段時間內，控制電感一直處于復位區?，其特性可用?的面積SA（伏秒積數）表示：
SA=4×10=40Vμs
在這一段時間內，控制電感L1作為一個高阻抗的電感，阻止電流流過它，保持u2=0，直到t=10μs時。
當t=10μs時，u1變為＋10V，使控制電感進入飽和狀態區?。這一時間間隔為4μs，它與＋10V的乘積SB等于SA，即：
SB=10×4=40Vμs
因此有UO1=u1Ton/T=10×(6/20)=3V（DC）
圖1電路的各點波形如圖5所示。
3磁放大控制電感的設計
磁放大器穩壓器的設計包括控制電感的設計和控制電路的設計，本文只給出控制電流（復位電流）的設計計算結果，控制電路的拓撲選擇及詳細的設計計算，請參閱參考文獻[1][2][3]。
控制電感的設計是根據穩壓器的外部要求，求出合適的磁芯型號及繞組參數。
本文的設計計算以VITROVAC6025Z磁芯為基礎進行。
VITROVAC6025Z環形磁芯采用德國VAC公司為高頻磁放大器穩壓器的控制電感研制的專用帶狀非晶共基合金材料，由環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。

在控制電感的設計中，一般給定的條件有：
——電路拓撲：單端正激式或推挽式（含半橋、全橋式）；
——輸出電壓U1；
——主電路壓降；
——輸出有或沒有短路保護。
設計結果：
——磁芯有效截面積AFe，選定磁芯型號；