飽和電感及其在開關(guān)電源中的應(yīng)用

飽和電感是一種磁滯回線矩形比高，起始磁導(dǎo)率高，矯頑力小，具有明顯磁飽和點(diǎn)的電感，在電子電路中常被當(dāng)作可控延時(shí)開關(guān)元件來使用。由于其獨(dú)特的物理特性，使之在高頻開關(guān)電源的開關(guān)噪聲抑制，大電流輸出輔路穩(wěn)壓，移相全橋變換器，諧振變換器及逆變電源等方面得到了日益廣泛的應(yīng)用。

1 飽和電感的分類及其物理特性^[1]

1.1 飽和電感的分類

飽和電感可分為自飽和和可控飽和二類。

1.1.1 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(shí)，類似于一個(gè)“開關(guān)”，即繞組中的電流小時(shí)，鐵心不飽和，繞組電感很大，相當(dāng)于“開路”；繞組中電流大時(shí)，鐵心飽和，繞組電感小，相當(dāng)于開關(guān)“短路”。

1.1.2 可控飽和電感（controlled saturable inductor）

又稱可控飽和電抗器（controlled saturable reactor），其基本原理是，帶鐵心的交流線圈在直流激磁作用下，由于交直流同時(shí)激磁，使鐵心狀態(tài)一周期內(nèi)按局部磁回線變化，因此，改變了鐵心等效磁導(dǎo)率和線圈電感。若鐵心磁特性是理想的（B－H特性呈矩形），則可控飽和電感類似于一個(gè)“可控開關(guān)”。在開關(guān)電源中，應(yīng)用可控飽和電感可以吸收浪涌，抑制尖峰，消除振蕩，與快速恢復(fù)整流管串聯(lián)時(shí)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（B_r/B_s），高起始磁導(dǎo)率μ_i，低矯頑力H_c，明顯的磁飽和點(diǎn)（A，B）及由于其磁滯回線所包圍的面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(yīng)用方面的兩個(gè)顯著特點(diǎn)為

1）由于飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度很小，所以，可飽和電感的儲(chǔ)能能力很弱，不能被當(dāng)作儲(chǔ)能電感使用。可飽

和電感的最大儲(chǔ)能E_m的理論值可用式（1）表示。

E_m=μVH²/2 （1）

式中：μ為臨界飽和點(diǎn)磁導(dǎo)率；

H為臨界飽和點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度；

V為磁性材料的有效體積。

2）由于可飽和電感的起始磁導(dǎo)率高，磁阻小，電感系數(shù)和電感量都很大，在施加外部電壓時(shí)，電感內(nèi)部起始電流增長緩慢，只有經(jīng)過Δt的延時(shí)后，當(dāng)電感線圈中的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，可飽和電感才會(huì)立即飽和，因而在電路中常被當(dāng)作可控延時(shí)開關(guān)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

1.2 可飽和電感隨電流變化的關(guān)系

因?yàn)椋袣庀逗蜔o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 無氣隙可飽和電感與電流的關(guān)系

無氣隙可飽和電感L隨電流變化的關(guān)系可用式（2）表示。

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 （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；

l₀為氣隙長度；

μ₀為空氣磁導(dǎo)率。

由磁路定律得I=。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=W=WS （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L_s的限流作用，D₂中流過的反向恢復(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L_s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