非線性濾波電感在開關電源中的作用

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1、非線性濾波電感在開關電源中的作用

2、第1摘要：摘要：分析了線性濾波器存在電感量L與最大工作電流imax、磁芯體積間的矛盾，提出了一種非線性濾波器結(jié)構(gòu)。從磁路特性方面，分析了非線性濾波器在協(xié)調(diào)這三者之間的關系上的優(yōu)點。關鍵詞：濾波；磁飽和；非線性；電流0引言在電源電路中，濾波器應用十分廣泛，它對于提高電源質(zhì)量起到了重要的作用。在500)this.style.ouseg(this)">（a）電流連續(xù)模式（b）電流斷續(xù)模式圖2電感電流模式　若輸入脈沖的占空比為D，在電流連續(xù)模式下，輸出電壓平均值為DUi

3、m。輸出電流的平均值為（imax＋imin）/2。輸出電流的變化量為（imax－imin），其中imin>0。電流連續(xù)模式和斷續(xù)模式的臨界電感量為Lo=500)this.style.ouseg(this)">（1）式中：f為輸入脈沖電壓的頻率；Io為輸出平均電流。工作于電流連續(xù)模式時，電感量L>Lo；工作于電流斷續(xù)模式時，電感量L<Lo。傳統(tǒng)的濾波電感器屬于線性電感，其電感量L值基本固定，有利于電路設計中參數(shù)計算。對于用閉合磁環(huán)制作的電感器，其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。這一電感器的

4、特點是電感量大。磁環(huán)電感的電感量計算式為L=500)this.style.ouseg(this)">（2）式中：μo為真空絕對磁導率；μr為磁芯材料的相對磁導率；A為圓環(huán)磁芯截面積；l為圓環(huán)的平均磁路長度。500)this.style.ouseg(this)">（a）（b）（c）圖3閉磁路與開磁路電感器結(jié)構(gòu)線圈匝數(shù)N越多，電感量L值越大。但對于任何磁芯材料電感器，由磁路歐姆定律決定了線圈匝數(shù)N與濾波電流i的乘積受磁芯材料成份與尺寸的制約：Nmaximax=BsA∑Rmk（3）式中：Bs為最大磁導

5、率；Rmk為第k段磁路的磁阻。若增加電感器繞組匝數(shù)N，允許流過的最大工作電流imax就會隨之減小。當線圈中流過的電流增大到一定程度，磁芯進入磁飽和狀態(tài)，電感量L值迅速下降，失去有效的濾波作用。圖4曲線反映了最大濾波電流imax－線圈匝數(shù)N－電感量L三者之間的關系。500)this.style.ouseg(this)">圖4電流—匝數(shù)—電感關系曲線另外，在給定的脈沖輸入電壓和激磁時間t下，要使磁芯不進入磁飽和狀態(tài)，由式（4）決定線圈匝數(shù)有一最小極限[2]。這一最少的線圈匝數(shù)與工作電流值無關，但匝數(shù)

6、限制了最大允許的工作電流值imax。表1中的數(shù)據(jù)是對應Φ25普通磁環(huán)繞制電感時的參數(shù)組合。從表1中可見，這種濾波器可正常工作的濾波電流值很小。Nmin=500)this.style.ouseg(this)">（4）表1Φ25磁環(huán)電感參數(shù)組合（A=45mm2，l=64mm，μr=2000）條件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閉合磁路電感器能獲得較大的電感量，從上述分析可見，它在實際應用中的弊端也有十分明顯。如大功率開關電源的輸出電流較大，為了防止濾波器磁芯進入磁飽和狀態(tài)，線圈的匝數(shù)N不能多，因而其電感量L值不會很大，甚至于難以工作于電流連續(xù)模式。濾波電流i、磁芯體積、線圈匝數(shù)N、電感量L值四者間存在矛盾，難以共同達到理想狀態(tài)。為了防止濾波電流較大時磁芯出現(xiàn)磁飽和，多數(shù)電感器采用開磁路磁芯，如

8、圖3（b）和（c）所示結(jié)構(gòu)，依據(jù)式（5），用增大磁阻的辦法增加電感器工作電流。但磁阻增加，電感量L會隨之減小。另一方面，磁路開放程度過大時，如圖3（c）結(jié)構(gòu)容易輻射電磁干擾，不利于提高電磁兼容性要求。imax=500)this.style.ouseg(this)">=BsA500)this.style.ouseg(this)">（5）2非線性濾波電感要解決濾波器最大工作電流imax大小與電感量L值間的矛盾，可以采用非線性濾波器，其濾波器磁芯基本結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示。非線性濾波器的電感量L值隨濾波

9、電流i的增大而減小，如圖6曲線（a）所示。即當電感線圈的濾波電流較小時，有較大的電感量L，在電路中使得濾波電流的變化率小，當濾波電流較大時，使電感器磁芯局部飽和，電感量L逐步減小，在電路中電流的變化率增大，如圖6曲線（b）所示。在脈沖電壓作用下，非線性濾波器中的，濾波電流變化曲線如圖6（c）中的實線所示，實際分為線性與非線性兩段，非線性部分的電流的變化量比較大，整條曲線工作于連續(xù)電流模式。500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)