合工大电力电子技术第六章.ppt

《合工大电力电子技术第六章.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第六讲高频开关电源中的电感器的设计杜少武第六讲高频开关电源中的电感器的设计1、电感器应用场合与工作模式2、电感器损耗和温升3、电感器的磁芯气隙4、电感器的磁芯材料和形状5、磁芯尺寸的确定6、电感计算7、Buck输出滤波电感设计8、反激变压器设计1、电感器应用场合与工作模式滤波电感，升压电感和反激变压器都是“功率电感”家族的成员。它们的功能是从电源取得能量，存储在磁场中，然后将这些能量（减去损耗）传输到负载。反激变压器实际上是一个多绕组的耦合电感。与上一节变压器不同，变压器不希望存储能量，而反激变压器首先要存储能量，再将磁能转化为

2、电能传输出去。耦合滤波电感不同于反激变压器，反激变压器先储能后释放；而耦合滤波电感同时储能，同时释放。返回1、电感器应用场合与工作模式应用电路拓扑、工作频率以及纹波电流等不同，电感设计考虑的因素也不同。用于开关电源的电感有：①单线圈电感－输出滤波电感（Buck）、升压电感（Boost）、反激电感（Buck-Boost）和输入滤波电感。②多线圈电感－耦合输出滤波电感、反激变压器。③EMI共模滤波电感。电路中，电感有两个工作模式：①电感电流断续模式－瞬时安匝（在所有线圈中）在每个开关周期内有一部分时间停留在零状态。②电感电流连续模式

3、－在一个周期内，电感电流尽管可以过零（如倍流电路中滤波电感），电感的安匝（磁势）没有停留在零的时间。1、电感器应用场合与工作模式（a）电流断续模式（b）电流连续模式图6－1电感电流模式输出滤波电感（Buck）正激类输出滤波电感和Buck变换器输出电感相同，一般工作在电流连续模式(图6-1(b))。电感量为式中：Ui——电感输入端电压(V)；D=Ton/TS——占空比；Uo=DUi——输出电压(V)；fS=1/TS——开关频率（Hz）；Io——输出电流（A）；Ton，Toff=TS-Ton——输入电压的高电平（导通）时间和低电平（

4、截止）时间；k=DI/2Io。6-1输出滤波电感（Buck）如果工作在断续模式(图6-1(a))，一般按满载时达到临界连续选择电感：式中DI=2Io。比较(式6-1)和(式6-2)可见，工作在电流断续时电感远小于电流连续时电感值。6-2Boost和Boost/Buck电感Boost和Boost/Buck电感通常设计在电流连续模式。所需的电感量：式中Ii=Io/η(1-D)——输入电流，Boost中为输入电流平均值；Boost/Buck中为输入电流导通时间电流的中值。η——变换器效率。断续时需要的电感量：6-46-3反激变压器反激

5、变压器即使工作在电流连续模式，尽管总安匝不会停留在零，但是，对于反激变压器的每个线圈来说，线圈电流总是处于断续状态。当然电流（安匝）断续更是如此。这是因为开关期间，电流（安匝）在初级和次级之间来回转换，如图6-2所示。即初级安匝减少时，次级安匝等量增加，反之亦然。虽然总安匝是连续的，纹波很小，但每个线圈的电流交替由零到最高峰值之间变化。无论什麽工作模式，线圈交流损耗大。磁芯与线圈不同，因总安匝纹波很小，磁芯有很大的直流偏磁，很小的磁通密度摆幅。因此和先前讨论的电流连续模式一样，磁芯损耗很小。反激变压器图6－2反激变压器电流反激变

6、压器安匝连续时所需的电感量：式中：k=DI1/I1=DI2/I2；I1，I2——初级和次级脉冲电流的中值。N1，N2——初级和次级匝数；其余符号与前面相同。6-5反激变压器电流断续模式线圈和磁芯损耗都大。在最大负载时，仍保持断续根据输入功率等于输出功率与功率级的损耗之和，则要求的电感为：式中Uimin－最低输入电压（V）；Dmax－对应最低输入电压时最大占空比；Po－输出功率（W）；f－开关频率（Hz）；h—效率，初始设计可定为80%。6-62、电感器损耗和温升在变压器设计讨论的温升限制、损耗和变压器热阻等关系，通常也适用于电感

7、。设计电流断续模式电感时，磁芯损耗大。如磁芯损耗近似等于线圈损耗，总损耗最小,电感体积也最小。当电感电流连续时，磁芯损耗通常忽略不计，因此线圈损耗就是总的损耗。返回3、电感器的磁芯气隙理想的具有高矩形度的磁芯材料是不储能的。实际高磁导率材料磁芯存储很少的能量，送入到磁芯能量的一部分为磁滞损耗，最终消耗掉。电感是一个能量存储元件。为了有效地存储和返回能量到电路中去，并要求体积最小，由式可知，在磁芯不饱和情况下，磁导率不能太高，但又不能太小。为此，在高磁导率材料磁芯中串联一个非磁气隙，用来调整有效磁导率me。在铁氧体或合金带料磁芯中

8、，需要一个单独的气隙。但在粉末金属磁芯中，气隙分布在磁性金属粉末之间－粘结剂所占的空间。返回3、电感器的磁芯气隙磁元件在储存和释放磁能时，磁芯中存在：（a）能量的存储和释放伴随着磁通的变化，由此引起磁芯损耗；（b）磁芯会饱和。饱和后磁材料在一定磁通密度以上，磁芯