非线性滤波电感在开关电源中的作用

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1、非线性滤波电感在开关电源中的作用

2、第1摘要：摘要：分析了线性滤波器存在电感量L与最大工作电流imax、磁芯体积间的矛盾，提出了一种非线性滤波器结构。从磁路特性方面，分析了非线性滤波器在协调这三者之间的关系上的优点。关键词：滤波；磁饱和；非线性；电流0引言在电源电路中，滤波器应用十分广泛，它对于提高电源质量起到了重要的作用。在500)this.style.ouseg(this)">（a）电流连续模式（b）电流断续模式图2电感电流模式　若输入脉冲的占空比为D，在电流连续模式下，输出电压平均值为DUi

3、m。输出电流的平均值为（imax＋imin）/2。输出电流的变化量为（imax－imin），其中imin>0。电流连续模式和断续模式的临界电感量为Lo=500)this.style.ouseg(this)">（1）式中：f为输入脉冲电压的频率；Io为输出平均电流。工作于电流连续模式时，电感量L>Lo；工作于电流断续模式时，电感量L<Lo。传统的滤波电感器属于线性电感，其电感量L值基本固定，有利于电路设计中参数计算。对于用闭合磁环制作的电感器，其结构如图3（a）所示。这一电感器的

4、特点是电感量大。磁环电感的电感量计算式为L=500)this.style.ouseg(this)">（2）式中：μo为真空绝对磁导率；μr为磁芯材料的相对磁导率；A为圆环磁芯截面积；l为圆环的平均磁路长度。500)this.style.ouseg(this)">（a）（b）（c）图3闭磁路与开磁路电感器结构线圈匝数N越多，电感量L值越大。但对于任何磁芯材料电感器，由磁路欧姆定律决定了线圈匝数N与滤波电流i的乘积受磁芯材料成份与尺寸的制约：Nmaximax=BsA∑Rmk（3）式中：Bs为最大磁导

5、率；Rmk为第k段磁路的磁阻。若增加电感器绕组匝数N，允许流过的最大工作电流imax就会随之减小。当线圈中流过的电流增大到一定程度，磁芯进入磁饱和状态，电感量L值迅速下降，失去有效的滤波作用。图4曲线反映了最大滤波电流imax－线圈匝数N－电感量L三者之间的关系。500)this.style.ouseg(this)">图4电流—匝数—电感关系曲线另外，在给定的脉冲输入电压和激磁时间t下，要使磁芯不进入磁饱和状态，由式（4）决定线圈匝数有一最小极限[2]。这一最少的线圈匝数与工作电流值无关，但匝数

6、限制了最大允许的工作电流值imax。表1中的数据是对应Φ25普通磁环绕制电感时的参数组合。从表1中可见，这种滤波器可正常工作的滤波电流值很小。Nmin=500)this.style.ouseg(this)">（4）表1Φ25磁环电感参数组合（A=45mm2，l=64mm，μr=2000）条件Bs/TNmin/匝Lmin/mHimax/Af=50kHz，D=50％Ui－Uo=10V0.2590.140.72f=50kHz，D=50％Ui－Uo=20V0.25180.570.35f=100kHz，D

7、=50％Ui－Uo=10V0.25.60.0570.9f=100kHz，D=50％Ui－Uo=20V0.2110.220.45闭合磁路电感器能获得较大的电感量，从上述分析可见，它在实际应用中的弊端也有十分明显。如大功率开关电源的输出电流较大，为了防止滤波器磁芯进入磁饱和状态，线圈的匝数N不能多，因而其电感量L值不会很大，甚至于难以工作于电流连续模式。滤波电流i、磁芯体积、线圈匝数N、电感量L值四者间存在矛盾，难以共同达到理想状态。为了防止滤波电流较大时磁芯出现磁饱和，多数电感器采用开磁路磁芯，如

8、图3（b）和（c）所示结构，依据式（5），用增大磁阻的办法增加电感器工作电流。但磁阻增加，电感量L会随之减小。另一方面，磁路开放程度过大时，如图3（c）结构容易辐射电磁干扰，不利于提高电磁兼容性要求。imax=500)this.style.ouseg(this)">=BsA500)this.style.ouseg(this)">（5）2非线性滤波电感要解决滤波器最大工作电流imax大小与电感量L值间的矛盾，可以采用非线性滤波器，其滤波器磁芯基本结构如图5（a）所示。非线性滤波器的电感量L值随滤波

9、电流i的增大而减小，如图6曲线（a）所示。即当电感线圈的滤波电流较小时，有较大的电感量L，在电路中使得滤波电流的变化率小，当滤波电流较大时，使电感器磁芯局部饱和，电感量L逐步减小，在电路中电流的变化率增大，如图6曲线（b）所示。在脉冲电压作用下，非线性滤波器中的，滤波电流变化曲线如图6（c）中的实线所示，实际分为线性与非线性两段，非线性部分的电流的变化量比较大，整条曲线工作于连续电流模式。500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)