磁放大器穩壓器中控制電感的設計?

摘要：介紹了磁放大器穩壓器的工作原理，推導了其中控制電感的設計方法，并給出了一個設計實例。
關鍵詞：磁放大器穩壓器；控制電感；復位

1引言?
隨著電子技術的發展，電子產品和系統的供電電源越來越復雜：供電電源的電壓路數增多；每一路電壓的穩壓精度要求越來越高。一般的開關穩壓電源，只有一個次級輸出電壓是通過初級電壓進行閉環調節的，其它的次級輸出電壓都保持開環狀態。這些輸出電壓的動態特性由負載以及初級輸入電壓所決定。要控制彼此獨立的、不同的各路輸出電壓，就要運用不同的調節原理。高頻磁放大器穩壓器以其低成本、高效率、高穩壓精度而又可靠的解決方案，在多路輸出的穩壓電源中得到了廣泛應用。
目前的高頻磁放大器穩壓器的輸出功率范圍介于20W到1500W，輸出電流范圍介于1A到30A，輸出電壓可低到3?3V，2?9V，完全可適應現在低工作電壓的半導體器件的需要。
2高頻磁放大器穩壓器工作原理?
磁放大器穩壓器是通過調節主變壓器次級側的脈沖寬度來達到輸出穩壓的目的。一個典型的正激變換器的二次側磁放大器穩壓器的原理圖如圖1所示。

在控制電感的設計中，一般給定的條件有：
——電路拓撲：單端正激式或推挽式（含半橋、全橋式）；
——輸出電壓U1；
——主電路壓降；
——輸出有或沒有短路保護。
設計結果：
——磁芯有效截面積AFe，選定磁芯型號；


——繞組匝數N；
——銅線直徑dcu；
——纏繞面積Acu。
設計過程要予以考慮的因素：
——磁放大器控制電路的壓降（即控制電感上的壓降）UReg；
——磁芯損耗（鐵損PFe）；
——銅損耗PCu；
——控制電感的最大死區。
根據上面的提示，一般的設計步驟如下：
1）決定線匝銅線的尺寸由輸出電流的大小決定，一般選電流密度為J≈4A/mm2；
2）計算控制電感的控制電壓UReg。
對于無短路保護的電路：
UReg=α×Dmax×Umin－UO1(1)
式中：UO1——要求的輸出電壓(V)；
Umin——次級繞組電壓幅值的最小值（V）；
Dmax——初級開關管占空比的最大值；
α——系數，對單端正激變換器α=1，對推挽式變換器（含半橋、全橋）α=2。
對于有短路保護要求的電路，則有：
UReg=α×Dmax×Umin(2)
（請讀者注意，磁放大器穩壓器不適用于反激式變換器）。
3）根據經驗，從表2中選一種磁芯型號，查找AFe等參數磁芯的選擇一般從小到大，直到所要求的匝數很容易纏滿磁芯一層為止。
4）計算所需的匝數N

式中：f——次級輸出方波的頻率（kHz）；
yes">?????Δ B——雙極磁通密度，取0.8T；
K——雙極磁通密度ΔB的校正因子，用于限制由于磁芯損耗引起的溫升。
圖6示出了VITROVAC6025Z中相關型號校正因子K的相關曲線。
5）磁芯及銅損耗計算
磁芯損耗PFe（近似值）

式中：Rth——對流的空芯繞組的熱阻（K/W）；mFe——磁芯質量（kg）。
銅損耗PCu（近似值，未考慮趨膚及鄰近效應）?

式中：LFe——磁芯的平均磁路長度（cm）；?
Hs——復位場強（mA/cm）。

?

在下面的計算中，采用SI單位制，為了計算方便，將其中的基本單位m改為cm。

1）所要求的每條線的截面積計算S（J取4A/mm2）
——無短路保護S=10/4=2.5mm2；
——有短路保護S=10/4=2.5mm2。
2）磁放大器控制電感電壓計算
——無短路保護UReg=α×Dmax×Umin－UO1=1×0.5×12－3.3=2.7V；
——有短路保護UReg=α×Dmax×Umin=1×0.5×12=6V。
3）繞組匝數計算

①第一次計算
——無短路保護選用磁芯T60006?E4008?W462d1×d2×h1=8mm×4.6mm×4mm
AFe=0.054cm2
LFe=1.98cm
K=1
最小匝數

根據表2，所適用的銅線纏繞面積Acu約為2mm2，因此不可能纏繞面積2?5mm2的銅線5匝。
——有短路保護選用磁芯T60006?E4012?W535d1×d2×h1=12.5mm×10mm×5mm
AFe=0.05cm2
LFe=3.53cm
K=1
最小匝數
?

[1]路秋生.高頻磁放大器穩壓電源設計[J].電源世界,1998.11:21～34.
[2]蔡宣三.開關電源中的磁放大器式輸出電壓調節器[J].電源世界,2001.3:1～6.
[3]BobMammano.MagneticAmplifierControlforSimple,Low?cost,SecondaryRegulation,UnitrodeSEM500
[4]CoresandComponents.Databook2000,VAC.