关于开关电源输出滤波电感的电磁能平衡问题分析

开关电源的输出滤波电感,也称为平滑扼流圈。它的作用,主要是将整流后的电流进行展平,以得到较稳定的输出和平滑的波形。为了取得更好的效果,是否可以取较大的电感值呢?答案并非如此,取值过大时,反而会引起其它方面的不良影响。

  在参考文献[1]一书中,作者在他试制一台500W半桥式开关电源时,就遇到了这样的情况。

  由于输出电流较大,因此采用分流的办法,用了两只外径为φ40mm的MPP磁粉芯。(文献[1]第161页)

  开始绕了24匝,即N=24,L=58μH。当Io=15~30A(平均每只IL=7.5~15A)时,高压开关脉冲波形发生严重的自激抖动,高频振荡明显加剧,强烈的尖刺干扰从副边反射到原边电路,甚至在电网输入线和+20V辅助电源线上,都叠加了幅度高达5~6V的高频噪声干扰,并且在控制模块SG3525A的两输出端和高压开关管中点上脉冲都明显可见。

  接着将匝数减少10匝,即N=14,L=20.6μH。Io=20~25A(平均每只IL=10~12.5A),开始稳定了。Io=30A(平均每只IL=15A)时,高压脉冲波形后沿仍有抖动。

  最后,匝数减少到只有8~10匝,L=10.1μH。Io=30A(平均每只IL=15A)时也能稳定工作了。

  现在,对以上情况作一下简要分析。

  根据作者在该书后面(文献[1]第234页)关于输出滤波电感的计算公式

L=(Vi-Vo)ton/(2Iomin)    (1)

  而Iomin一般取Io的(5~10)%,单只磁芯IL=15A的10%为1.5A。

  开关频率fsw=80kHz。即T=12.5μs。Vi=18V,Vo=15V。

ton=(Vo/Vi)×(T/2)    (2)

ton=(15/18)×(12.5/2)=5.2μs

L=(18-15)×5.2/(2×1.5)=5.2μH。

  这就告诉我们,电感量的最小值为5.2μH,或者说临界电感值为5.2μH。下面根据伏安(微)秒平衡的原理,来分析上述情况。

  磁能量W为

W=(1/2)LI2(VAs)or(VAμs)(3)

  电能功率P为

P=(1/2)LI2fsw(VA)    (4)

  公式转换后为

P/fsw=(1/2)LI2

 

图1  电原理图

  将P用VI替代,1/fsw用T替代,得以下关系式

VIT=LI2/2      (5)

  对照图1可知,V=Vi=18V,I=IL=15A。就有

VIT=18×15×12.5=270×12.5=3375VAμs。

  当N=24,Lo=58μH,15A时实际电感值取60%,L15=58×0.6=35μH。

  当N=14,Lo=20.6μH,15A时实际电感值取80%,L15=20.6×0.8=16.5μH。

  当N=10,Lo=10.6μH,15A时实际电感值取95%,L15=10.6×0.95=10.1μH。

  分别得到各组磁能为

WN=24=0.5×35×152=3937.5VAμs(6)

WN=14=0.5×16.5×152=1856.25VAμs(7)

WN=10=0.5×10.1×152=1136.25VAμs(8)

  前面计算的磁能为3375VAμs,实际上在占空比等于0.5时,还要折半就只有1687.5VAμs了。

  显然,这点磁能——1687.5VAμs无法满足式(6)和(7)这两种情况。只有在式(8)时磁电能完全满足要求,因此才能稳定地工作。

  比较理想的情况是,电感值能随着输出电流变化而变化。起始电感值,要根据磁芯饱和曲线来确定为临界电感值的1.5~3倍,不宜过大。以上分析,是否对头,敬请专家同仁指正。

 


【上一个】 高频开关通信电源系统的研制 【下一个】 一种高精度的自激式多路输出稳压开关电源的设计


 ^ 关于开关电源输出滤波电感的电磁能平衡问题分析

东方心经2021全年免费资料大全