飽和電感的分類及其物理特性

飽和電感的分類
   
飽和電感可分為自飽和和可控飽和二類。

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，類似於一個“開關”
，即繞組中的電流小時，鐵心不飽和，繞組電感很大，相當於“開路”；繞組中電流大時，鐵心飽和
，繞組電感小，相當於開關“短路”。

可控飽和電感（controlled saturable inductor）
   
又稱可控飽和電抗器（controlled saturable reactor），其qi基ji本ben原yuan理li是shi，帶dai鐵tie心xin的de交jiao流liu線xian圈quan在zai直zhi流liu激ji磁ci作zuo用yong下xia
，由you於yu交jiao直zhi流liu同tong時shi激ji磁ci，使shi鐵tie心xin狀zhuang態tai一yi周zhou期qi內nei按an局ju部bu磁ci回hui線xian變bian化hua，因yin此ci，改gai變bian了le鐵tie心xin等deng效xiao磁ci導dao率lv和he線xian圈quan電dian感gan。若ruo鐵tie心xin磁ci特te性xing是shi理li想xiang的de（B－H特性呈矩形），則可控飽和電感類似於一個“可控開關”。在開關電源中，應用可控飽和電感可以吸收浪湧
，抑製尖峰，消除振蕩，與快速恢複整流管串聯時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（Br/Bs）
，高起始磁導率μi，低矯頑力Hc
，明顯的磁飽和點（A，B）及由於其磁滯回線所包圍的麵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麵的兩個顯著特點為
   
1）由於飽和磁場強度很小，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。可飽和電感的最大儲能Em的理論值可用式（1）表示。

Em=μVH2/2    （1）
式中：μ為臨界飽和點磁導率；
H為臨界飽和點磁場強度
；
V為磁性材料的有效體積。
   
2）由於可飽和電感的起始磁導率高，磁阻小，電感係數和電感量都很大
，在施加外部電壓時，電感內部起始電流增長緩慢，隻有經過Δt的延時後，當電感線圈中的電流達到一定數值時，可飽和電感才會立即飽和，因而在電路中常被當作可控延時開關元件使用。

(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

可飽和電感隨電流變化的關係
   
因為，有氣隙和無氣隙的dB/di磁路的計算方法不同，所以，分別對兩種情況進行討論。

無氣隙可飽和電感與電流的關係
   
無氣隙可飽和電感L隨電流變化的關係可用式（2）表示。

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曲線的對應函數；
S為磁性材料的截麵積；
l磁性材料的為平均長度。

有氣隙可飽和電感與電流的關係
   
任意給定一個導磁體磁路中磁感應強度B1，可由B=f(H)曲線求出導磁體磁路中的磁場強度H1。氣隙中的H0值可用式（3）表示。

式中：B0為空氣隙磁感應強度；
a和b為磁路矩形截麵積邊長；
l0為氣隙長度；
μ0為空氣磁導率。

由磁路定律得。改變B值並重複上述步驟
，可求出相應的I，得到一組B和I的關係數據。設這個B與I對應的函數為B=f1(I)。
   
在不考慮漏感時
，電感的計算式可用式（4）表示。

式中：φ為磁路磁通量。
則有氣隙可飽和電感與電流的關係為
L=WSf1(I)    （5）

飽和電感在開關電源中的應用

尖峰抑製器
   
開kai關guan電dian源yuan中zhong尖jian峰feng幹gan擾rao主zhu要yao來lai自zi功gong率lv開kai關guan管guan和he二er次ci側ce整zheng流liu二er極ji管guan的de開kai通tong和he關guan斷duan瞬shun間jian。具ju有you容rong易yi飽bao和he
，儲chu能neng能neng力li弱ruo等deng特te點dian的de飽bao和he電dian感gan能neng有you效xiao抑yi製zhi這zhe種zhong尖jian峰feng幹gan擾rao。將jiang飽bao和he電dian感gan與yu整zheng流liu二er極ji管guan串chuan聯lian，在zai電dian流liu升sheng高gao的de瞬shun間jian，它ta呈cheng現xian高gao阻zu抗kang，抑yi製zhi尖jian峰feng電dian流liu
，而er飽bao和he後hou其qi飽bao和he電dian感gan量liang很hen小xiao
，損sun耗hao小xiao。通tong常chang將jiang這zhe種zhong飽bao和he電dian抗kang器qi作zuo為wei尖jian峰feng抑yi製zhi器qi。
   
在圖2所示電路中，當S1導通時
，D1導通，D2截至，由於可飽和電感Ls的限流作用，D2中流過的反向恢複電流的幅值和變化率都會顯著減小
，從而有效地抑製了高頻導通噪聲的產生。當S1關斷時，D1截至，D2導通，由於Ls存在著導通延時時間Δt，這將影響D2的續流作用，並會在D2的負極產生負值尖峰電壓。為此，在電路中增加了輔助二極管D3和電阻R1。

圖2：尖峰抑製器的應用

磁放大器
   
磁(ci)放(fang)大(da)器(qi)是(shi)利(li)用(yong)可(ke)控(kong)飽(bao)和(he)電(dian)感(gan)導(dao)通(tong)延(yan)時(shi)的(de)物(wu)理(li)特(te)性(xing)
，控(kong)製(zhi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)和(he)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)。該(gai)開(kai)關(guan)特(te)性(xing)受(shou)輸(shu)出(chu)電(dian)路(lu)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)的(de)控(kong)製(zhi)，即(ji)利(li)用(yong)磁(ci)芯(xin)的(de)開(kai)關(guan)功(gong)能(neng)，通(tong)過(guo)弱(ruo)信(xin)號(hao)來(lai)實(shi)現(xian)電(dian)壓(ya)脈(mai)衝(chong)脈(mai)寬(kuan)控(kong)製(zhi)以(yi)達(da)到(dao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)穩(wen)定(ding)。在(zai)可(ke)控(kong)飽(bao)和(he)電(dian)感(gan)上(shang)加(jia)上(shang)適(shi)當(dang)的(de)采(cai)樣(yang)和(he)控(kong)製(zhi)器(qi)件(jian)，調(tiao)節(jie)其(qi)導(dao)通(tong)延(yan)時(shi)的(de)時(shi)間(jian)，就(jiu)可(ke)以(yi)構(gou)成(cheng)最(zui)常(chang)見(jian)的(de)磁(ci)放(fang)大(da)器(qi)穩(wen)壓(ya)電(dian)路(lu)。
   
磁放大器穩壓電路有電壓型控製和電流型控製兩種。圖3為電壓型複位電路，它包括電壓檢測及誤差放大電路
，複位電路和控製輸出二極管D3，它是單閉環電壓調節係統。

圖3：磁放大器電壓型複位穩壓電路  

圖4所示為移相全橋ZVS-PWM開關電源磁放大器穩壓器。全橋開關電路變壓器二次雙半波整流各接一個磁放大器SR
，其鐵心繞有工作繞組和控製繞組。在正半周，當某輸出整流管正偏（另一輸出整流管反偏），變壓器副邊輸出的方波脈衝加在相應的工作繞組上
，使SR鐵心正向磁化（增磁）
；在負半周，該輸出整流管反偏
，和控製繞組串聯的二極管D3正偏導通，在直流控製電流Ic的作用下，使該SR的鐵心去磁（複位）。

圖4：移相全橋ZVS-PWM開關電源磁放大器穩壓器 

控製電路的工作原理是：開關電源輸出電壓與基準比較後，經誤差放大控製MOS管的柵極，MOS管提供與輸出電壓有關的磁放大器SR的控製電流Ic。

移相全橋ZVS-PWM變換器
   
移相全橋ZVS-PWM變換器結合了零電壓開關準諧振技術和傳統PWM技術兩者的優點

，工作頻率固定
，在換相過程中利用LC諧振使器件零電壓開關

，在換相完畢後仍然采用PWM技ji術shu傳chuan送song能neng量liang，控kong製zhi簡jian單dan，開kai關guan損sun耗hao小xiao
，可ke靠kao性xing高gao，是shi一yi種zhong適shi合he於yu大da中zhong功gong率lv開kai關guan電dian源yuan的de軟ruan開kai關guan電dian路lu。但dan當dang負fu載zai很hen輕qing時shi，尤you其qi是shi滯zhi後hou橋qiao臂bi開kai關guan管guan的deZVS條件難以滿足。
   
將飽和電感作為移相全橋ZVS-PWM變換器的諧振電感
，能擴大輕載下開關電源滿足ZVS條tiao件jian的de範fan圍wei。將jiang其qi應ying用yong於yu弧hu焊han逆ni變bian電dian源yuan中zhong
，可ke減jian少shao附fu加jia環huan路lu能neng量liang和he有you效xiao占zhan空kong比bi的de損sun失shi，在zai保bao證zheng效xiao率lv的de基ji礎chu上shang
，擴kuo展zhan了le零ling電dian壓ya切qie換huan的de負fu載zai範fan圍wei，提ti高gao了le軟ruan開kai關guan弧hu焊han逆ni變bian電dian源yuan的de可ke靠kao性xing。
   
將飽和電感與開關電源的隔離變壓器二次輸出整流管串聯
，可消除二次寄生振蕩，減小循環能量，並使移相全橋ZVS-PWM開關電源的占空比損失最小。
   
除此以外，將飽和電感與電容串接在移相全橋ZVS-PWM開關電源變壓器一次，超前臂開關管按ZVS工作；當負載電流趨近於零時，電感量增大，阻止電流反向變化
，創造了滯後臂開關管ZCS條件，實現移相全橋ZV-ZCSPWM變換器。

諧振變換器
   
采用串聯電感或飽和電感的串聯諧振變換器如圖5所示。當諧振電感電流工作在連續狀態時，開關管為零電壓/零ling電dian流liu關guan斷duan，但dan開kai通tong是shi硬ying開kai通tong，存cun在zai開kai通tong損sun耗hao。反fan並bing聯lian二er極ji管guan為wei自zi然ran開kai通tong
，但dan關guan斷duan時shi有you反fan向xiang恢hui複fu電dian流liu，因yin此ci，反fan並bing聯lian二er極ji管guan必bi須xu采cai用yong快kuai恢hui複fu二er極ji管guan。為wei了le減jian小xiao開kai關guan管guan的de開kai通tong損sun耗hao，實shi現xian零ling電dian流liu開kai通tong，可ke以yi使shi開kai關guan管guan串chuan聯lian電dian感gan或huo飽bao和he電dian感gan。開kai關guan管guan開kai通tong之zhi前qian，飽bao和he電dian感gan電dian流liu為wei零ling。當dang開kai關guan管guan開kai通tong時shi，飽bao和he電dian感gan限xian製zhi開kai關guan管guan的de電dian流liu上shang升sheng率lv，使shi開kai關guan管guan電dian流liu從cong零ling慢man慢man上shang升sheng
，從cong而er實shi現xian開kai關guan管guan的de零ling電dian流liu開kai通tong

，同tong時shi改gai善shan了le二er極ji管guan的de關guan斷duan條tiao件jian

，消xiao除chu了le反fan向xiang恢hui複fu問wen題ti。

圖5：諧振變換器

逆變電源
   
逆(ni)變(bian)電(dian)源(yuan)以(yi)其(qi)控(kong)製(zhi)性(xing)能(neng)好(hao)，效(xiao)率(lv)高(gao)，體(ti)積(ji)小(xiao)等(deng)諸(zhu)多(duo)優(you)點(dian)，被(bei)廣(guang)泛(fan)用(yong)於(yu)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)，電(dian)力(li)電(dian)子(zi)及(ji)精(jing)密(mi)儀(yi)器(qi)等(deng)各(ge)個(ge)方(fang)麵(mian)。它(ta)的(de)性(xing)能(neng)與(yu)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)品(pin)質(zhi)息(xi)息(xi)相(xiang)關(guan)，尤(you)其(qi)是(shi)電(dian)源(yuan)的(de)動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)。由(you)於(yu)逆(ni)變(bian)電(dian)源(yuan)自(zi)身(shen)的(de)特(te)點(dian)，其(qi)動(dong)態(tai)特(te)性(xing)一(yi)直(zhi)不(bu)夠(gou)理(li)想(xiang)。
   
采用PWM和PFMkongzhidenibiandianyuan

，qigongzuoyuanlijuedingleyaodedaopinghuadedianliudianyaboxing
，bixuzaiqishuchudianlushangjiaxuliudiangan
，ergaidianganzhengshiyingxiangnibiandianyuandongtaixingnengdezhuyaoyinsu。duiyuhengyayuan，diangandianliuyufuzaiwanquanchengfanbiguanxi
；對dui於yu可ke控kong恒heng流liu源yuan，要yao使shi電dian感gan電dian流liu由you小xiao變bian大da
，必bi然ran要yao以yi小xiao的de負fu載zai值zhi作zuo為wei前qian提ti
，盡jin管guan不bu是shi完wan全quan的de對dui應ying關guan係xi，但dan可ke以yi說shuo電dian流liu的de變bian化hua在zai某mou種zhong程cheng度du上shang反fan映ying了le負fu載zai的de變bian化hua。
   
因此，采用隨電流增大而減小的電感作為逆變電源的輸出電感，可有效地改變電源輸出電路的時間常數T，使其完全與R成反比（T=L/R），進而在負載變化範圍內維持在一個相對較小的數值上，這樣自然會提高動態性能。