飽和電感及其在開(kāi)關(guān)電源中的應用

飽和電感是一種磁滯回線(xiàn)矩形比高，起始磁導率高，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作可控延時(shí)開(kāi)關(guān)元件來(lái)使用。由于其獨特的物理特性，使之在高頻開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)噪聲抑制，大電流輸出輔路穩壓，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用。

1 飽和電感的分類(lèi)及其物理特性^[1]

1.1 飽和電感的分類(lèi)

飽和電感可分為自飽和和可控飽和二類(lèi)。

1.1.1 自飽和電感（Saturable inductor）

其電感量隨通過(guò)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(lèi)似于一個(gè)“開(kāi)關(guān)”，即繞組中的電流小時(shí)，鐵心不飽和，繞組電感很大，相當于“開(kāi)路”；繞組中電流大時(shí)，鐵心飽和，繞組電感小，相當于開(kāi)關(guān)“短路”。

1.1.2 可控飽和電感（controlled saturable inductor）

又稱(chēng)可控飽和電抗器（controlled saturable reactor），其基本原理是，帶鐵心的交流線(xiàn)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)一周期內按局部磁回線(xiàn)變化，因此，改變了鐵心等效磁導率和線(xiàn)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(lèi)似于一個(gè)“可控開(kāi)關(guān)”。在開(kāi)關(guān)電源中，應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(xiàn)矩形比（B_r/B_s），高起始磁導率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(xiàn)所包圍的面積狹小而使其高頻磁滯損耗較小等特征。為此，可控飽和電感在應用方面的兩個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)為

1）由于飽和磁場(chǎng)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?？娠?

和電感的最大儲能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)磁導率；

H為臨界飽和點(diǎn)磁場(chǎng)強度；

V為磁性材料的有效體積。

2）由于可飽和電感的起始磁導率高，磁阻小，電感系數和電感量都很大，在施加外部電壓時(shí)，電感內部起始電流增長(cháng)緩慢，只有經(jīng)過(guò)Δt的延時(shí)后，當電感線(xiàn)圈中的電流達到一定數值時(shí)，可飽和電感才會(huì )立即飽和，因而在電路中常被當作可控延時(shí)開(kāi)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

因為，有氣隙和無(wú)氣隙的dB/di磁路的計算方法不同，所以，分別對兩種情況進(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= （2）

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(xiàn)的對應函數；

S為磁性材料的截面積；

l磁性材料的為平均長(cháng)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)導磁體磁路中磁感應強度B₁，可由B=f(H)曲線(xiàn)求出導磁體磁路中的磁場(chǎng)強度H₁。氣隙中的H₀值可用式（3）表示。

H₀=B₁ （3）

式中：B₀為空氣隙磁感應強度；

a和b為磁路矩形截面積邊長(cháng)；

l₀為氣隙長(cháng)度；

μ₀為空氣磁導率。

由磁路定律得I=。改變B值并重復上述步驟，可求出相應的I，得到一組B和I的關(guān)系數據。設這個(gè)B與I對應的函數為B=f₁(I)。

在不考慮漏感時(shí)，電感的計算式可用式（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(kāi)關(guān)電源中的應用

2.1 尖峰抑制器

開(kāi)關(guān)電源中尖峰干擾主要來(lái)自功率開(kāi)關(guān)管和二次側整流二極管的開(kāi)通和關(guān)斷瞬間。具有容易飽和，儲能能力弱等特點(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S₁導通時(shí)，D₁導通，D₂截至，由于可飽和電感L_s的限流作用，D₂中流過(guò)的反向恢復電流的幅值和變化率都會(huì )顯著(zhù)減小，從而有效地抑制了高頻導通噪聲的產(chǎn)生。當S₁關(guān)斷時(shí)，D₁截至，D₂導通，由于L_s存在著(zhù)導通延時(shí)時(shí)間Δt，這將影響D₂的續流作用，并會(huì )在D₂的負極產(chǎn)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 尖峰抑制器的應用