1.7 电感与功率电感器
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这一节我们介绍电感与功率电感器 我们看看电感 在开关电源里面主要分为三种类型 第一种是谐振电感 它的特点是它的电流纹波很大 但它呢基本的波形是正弦波 所以它的谐波的成分很小 基本上没有 同时呢它是谐振电感 它就没有流过直流电流 虽然直流偏磁是没有的 第二类呢是属于直流滤波电感 那像我们的这个输出滤波电感 那么这个都算直流滤波电感 它的特点是它要流过比较大的一个直流 同时呢上面还有一个锯齿波的电流 其它的特点呢是电流纹波比较小 那么一般情况下 纹波跟直流的比值 我们叫做KRP 就是 ripple 的比值 大约在百分20到30左右是吧 那也就是说你 Peak to Peak 的 交流的成分跟我直流成分的比值是比较小的 但是它的特点是直流电流比较大 它是用于直流滤波的 那么第三类呢就是属于 PFC 电感 也就是说功率因素校正电感 它又分成 CCM 电流连续模式 跟电流断续模式 那么如果是连续模式 那么它的特点跟直流滤波电感很类似 只是说它的流过的低频成分是工频电流 那么工频电流跟我开关电流比起来 它的频率就很低了 我就把它当成是一个直流 但是如果我是临界模式 那么我的电流的纹波就很大 那么就大大大于直流滤波电感的这种 百分之二三十的这个纹波比 所以呢 PFC 电感 它的特点是电流纹波大 同时它的谐波成分也大 比如说这个这个临界模式 它是处在变频的状态 工作模式 它的频率呢也在变 所以它的谐波成分比较大 同时呢它的直流偏磁也很大 它是功率电流来决定的 所以 PFC 电感 是我们电感器里面最难设计的电感 它三个都很大 那么电感器它的功能什么呢 它是储存磁能是吧 但是呢储存不是一直储存 它是在励磁阶段储能 在去磁阶段它要把能量放出来 它只是处于一个中间过渡的储能功能 但是变压器不一样 变压器它完全没有储能 能量只是经过左手就是右手就出去了 那么电感呢是到经过左手存进来 过一会儿呢再从右手出去 我们看看电感的基本电路特性 那么很简单 L 等于单位电流产生的磁链 这就是我们电感的最最基本的定义 对吧 单位电流 它会产生的磁通 在我这个线圈上所造成的磁链 那如果我每匝线圈 穿过的磁通都一样的话 那么磁链就等于磁通乘上匝数 就等这个东西 那么根据电磁感应定律 e 等于磁链的导数 那么磁链又是电流乘电感 所以呢 e 就等于负的Ldi/dt 这个负号是表示抵消作用反方向 那么这个 L 呢我们就叫做电感 我们用一个电路符号 用这个四个半圆符号来表示这个电感 那么当我的电压 跟电流是同一个方向的时候 它就满足U是等于负的e 就等于 Ldi/dt 如果我的电压是一个 PWM 的一个方波 那么电流呢就是一个锯齿波 因为电压是等于电流的导数 当电感施加正向电压时 这边正这边负的时候 那么电流呢是在上升的 当我电感的电压变反了 反向的时候就在这个阶段 那么的电流呢是下降的 Δdi/dt 是负的 所以呢它的电流是下降的 那么这就是我们讲 电感的一个基本的电路特性 那同时电感还有一个储能特性 它储能储多少呢 磁场能量储能是 1/2BH 是单位储能密度 那么乘上体积就是我的总的储能 那么经过这个公式的推导呢 就可以得到它是等于 1/2LI 平方 也就是说储能不仅根电感有关 还跟电流有关 那么我们也可以 从一个电感的输入能量来看 我给它加个电压电流 它里面储存多少能量 那就从 i u 零积到T这个时刻 开始的时候电流是零 它没有能量 然后我电流上升 上升到T时刻 它有多少能量 那就从零积到T U又等于 Ldi/dt 那么这个积分出来 dt 消掉等于 di 那么同样会等于1/2LI平方 那也就是说我电路的输出的 给电感输出的能量 它都变为磁场能量 储存在我的磁芯里面 我的磁路里面 我们来看看电感的基本特性 第一个特性 电感磁通是不能跃变的 也就是说我的磁路的磁通它是不能跃变的 如果我的匝数没有变化 磁路在这个换流时刻没有变化 也就意味着我的电流是不能跃变的 所以我们经常讲电感电流不能跃变 但是这是一个前提 你匝数没有变 磁路没有变 那么就相当于电感电流不能跃变 因为如果你电感是恒定的 如果你电流跃变了 意味着 di/dt 会趋向于无限大 就会产生很大的电压 反过来说不可能有无限的电压 那么电流呢就不可能是跃变的 但本质上讲是磁通不能跃变 或者说是磁场能量不能跃变 那么我们这里就举一个反激电路 在我换流的时刻开关 从闭合到打开那个瞬间 它就电流呢就从原边断掉了 原边电流就消失了 它就转移到副边去 那么这个转移多少 大家都知道根据什么 按照平衡是吧 根据这个磁势平衡的道理来 那么磁势平衡实际上是本质上是什么呢 就是磁通不能跃变 这个是励磁阶段电流 上升到ip负这个时刻 开关一打开 在第一时间我一打开 原边电流没了 但是呢它的电流就转移到副边去了 原边这个时的电流是等于 ip- 乘 NP 乘上磁导 那么在开关切换以后 开关断开以后呢就变成 is+ + 表示 d 的正一点点 它 + 是等于什么呢 等于 is+ 它匝数变成什么 变成 NS 了 它的磁导还是没变 因为整个磁芯结构没变是吧 它还是等于这个东西 所以呢这两个磁通 在换流的瞬间 d 的负到 d 的正 这个时间里面它是相等的 所以呢就得到 IPNP · ISNS 得到这样一个公式 所以说大家讲磁链相等 本质上是磁通不能跃变 再一个呢我们看看 电感的励磁跟去磁磁通必须平衡 或者说电流的上升要等于电流的下降 那么这个就是一个简单的 BUCK 电路是吧 当我开关 ON 的时候 实际上我电感的电压是 VI 减掉 VO 它的时间是 Toff 那么除上我的匝数 就是我的磁通的上升量 也就是在 Ton 这个时间段 磁通上升的ΔΦ+ 我开关一打开 这个二极管续流 那么这个电压呢 变成等于负的VO是吧 那么它的时间如果是Toff的话 那么伏就是 VO 秒就 Toff 匝数也是 N 因为它电感 匝数是固定的 那么它下降的磁通 Φ- 就等于这个 磁通必须平衡 那么 Φ+ 要等于 Φ- 所以就会推出来 我电压的转换比是等于 开关工作的占空比 所以说大家对电感来说 你们说是电流的上升等于下降也可以 但本质上是磁通的 励磁要等于去磁 所以说电感工作 它要正常工作必须要去磁 或者说复位 或者说续流是吧 那么我们在电能电子里面 靠什么来复位续流呢 一个是有源的 我通过一个电源 我励磁的时候呢走这条路 它通过这个电压给这个电感励磁 这个开关一打开 这个电压就不起作用了 那么它的电流怎么办呢 它要走另外一条回路 续流就从这边回去了 那么这个续流呢 实际上就是一种能量的反馈 就是把能量去除掉 这时候呢它就把能量呢 灌回到这个电源里面去 那么这个电源可以是电容 也可以是输入电压 都可以 去把能量呢返回回去了 那么这个是等于说有能量反馈的 比如说有源钳位 这种呢就属于有能量反馈的 那么还有呢是能量把它消耗掉了 励磁的时候呢它这样走 然后一去磁呢 这个电流呢 就经过这个二极管经过这个电阻续流 那么这个电阻流过电流就会有电压降 那么这个电压降就是负的电压 它就会使我的电感的磁芯呢 里面的磁通呢复位 降低是吧 那但是呢这个属于有损去磁 它把能量给它消耗掉了 那么我们的吸收电路 RCD 吸收电路 它实际上就是属于有损的去磁电路 那么我们来看一看 正激电路电感的磁复位的分析 这里面有两个磁元件 一个是滤波电感 一个是变压器 变压器虽然它不是电感 但是呢它总有一部分的激磁电感在 所以这部分能量它也要把它复位掉 否则的话呢它也不能稳定的工作 所以当我开关闭合的时候 那么加在我这个 LM 激磁电感上面的电压 就等于 VI 时间是 DTS 这个是DTS 这是它的上升的磁通 去磁呢 它怎么怎么去磁呢 开关一打开 这个开关一打开 这时候这边电流被断掉了 那这个二极管也截止了 这个续流了二极管也截止了 所以呢这个必然上面呢就没电流了 那这时候这个电流往哪里流呢 它就转移到我的复位绕组上 复位绕组的同名端是反的 复位绕组呢就把这个能量呢 传回到输入端来了 那么这个就它的一个复位过程 复位的时候它的电压等于什么呢 等于 VI 但是呢这边的电压要经过一个匝比 Nr 跟 Np 这个匝比 这个是 VI 是吧 那么它是 Np 跟 Nr 的一个匝比 就折到这边来 然后它的时间是 1-D 所以呢它的磁通的上升是 1-D 那么这两个呢必须相等 要保证我的伏秒平衡 那么 Ф+ 就要等于 Ф- 那如果我的 Nr 跟 Np 是相等的 那么我的占空比呢 就不能超过 0.5 否则的话呢我就没有时间去复位 因为励磁花了 0.5 以上的时间 那么我的去磁呢 就没有时间了 就时间就不够了 因为总共就是 1 所以这时候呢它的占空比不能超过0.5 如果 Nr 跟 Np 匝比是一样的话 它就没办法复位了 那么同样对于这个电感 那么它的励磁的磁通呢 是就前面分析一样的是吧 是这个电压 VI 折过来 然后减掉 VO 加在上面 它通过时间是 dt 那么就等于这个公式是吧 二极管开关一打开 这个二极管通 这个二极管断 这时候电压等于负的 VO 等于 VO 那么时间是 1-D 这两个相等就得到了我的电压转换比 所以说呢一个正激电路 它里面等于说是有两个电感 一个是激磁电感 一个是输出直流滤波电感 那么这两个电感它都要满足 激磁等于去磁两个磁通要相等 只不过说输出滤波电感 它是靠 VO 来去磁 那么激磁电感呢它是靠电源 Vin 来去磁 它把能量又返回到 VI 去了 那么我们再来看反激电路的复位 那么反激电路也有电感 那么这个电感的复位靠什么呢 这是开关 on 的时候 电流这样流过来 整流二极管是截止的 电流呢往上增加是吧 这里一个 Vin 是吧 时间是 dts 嘛它就增加 开关一打开 这时候输出二极管导通 副边电压等于 VO 是吧 副边电压就等于 Vo 那么折倒原边来 就是VO除上NS乘上NP那就得到这边电压 它的时间呢时间是 1-D 对吧 所以呢它这边电流就就断掉了 这边就有电流了 那么它就通过输出的电压 在我这个激磁电感上 把能量释放掉是吧 这个是励磁电流这个是去磁电流 那么这个电流经过这个理想变压器呢 经过这个变压器呢就转移到副边来了 那就变成了输出的一部分 所以呢这就是激磁伏秒积 就是磁通增加量 这个去磁伏秒积 即我磁通的减小量 然后这两个磁通要平衡 所以就得到反激电路的电压转换比 它也是基于磁通的 上升等于下降的道理来的 那么我们再来看一个 RCD 吸收电路 它的本质上它也是去磁 去谁的磁呢 它去的是漏感的磁 这是一个反激电路的 RCD 吸收电路 当我的开关闭合的时候电流这样流 一部分能量储存在激磁电感上 也就是我那个磁芯的气隙上 一部分呢储存在漏感上 那么激磁电感的这部分磁通 它通过开关的 off 它就转移到副边去了 但是呢漏感的能量 开关一断掉以后它没有回路 这个电感的电流它没有回去 这也被你断掉了它没回路 它也转不到副边去 那它怎么办呢 它就通过这个吸收电路 RCD 吸收电路 在这边形成一个续流回路 那么这个电流流过这个电容 上面会有电压 那么这个电压呢 就给我这个漏感呢去磁 所以说开关 ON 的时候 电源向激磁电感 Lm 和漏感 Lk 励磁 开关 off 后激磁电感 它通过输出电压给它复位 能量呢就反激到副边输出去了 但是漏感磁通它要通过电容的 VC 来复位 那么能量呢就通过 RCD 电路呢 吸收掉再消耗掉 所以呢电感的分析 就是要考虑到它的励磁等于去磁 电力电子电路里面很多电路 不管你是有源钳位 RCD 这些电路 它都是为了让我的电感的磁通 要能够复位 才有了这样的一些电路 那么这个呢就讲到这里 再见
这一节我们介绍电感与功率电感器 我们看看电感 在开关电源里面主要分为三种类型 第一种是谐振电感 它的特点是它的电流纹波很大 但它呢基本的波形是正弦波 所以它的谐波的成分很小 基本上没有 同时呢它是谐振电感 它就没有流过直流电流 虽然直流偏磁是没有的 第二类呢是属于直流滤波电感 那像我们的这个输出滤波电感 那么这个都算直流滤波电感 它的特点是它要流过比较大的一个直流 同时呢上面还有一个锯齿波的电流 其它的特点呢是电流纹波比较小 那么一般情况下 纹波跟直流的比值 我们叫做KRP 就是 ripple 的比值 大约在百分20到30左右是吧 那也就是说你 Peak to Peak 的 交流的成分跟我直流成分的比值是比较小的 但是它的特点是直流电流比较大 它是用于直流滤波的 那么第三类呢就是属于 PFC 电感 也就是说功率因素校正电感 它又分成 CCM 电流连续模式 跟电流断续模式 那么如果是连续模式 那么它的特点跟直流滤波电感很类似 只是说它的流过的低频成分是工频电流 那么工频电流跟我开关电流比起来 它的频率就很低了 我就把它当成是一个直流 但是如果我是临界模式 那么我的电流的纹波就很大 那么就大大大于直流滤波电感的这种 百分之二三十的这个纹波比 所以呢 PFC 电感 它的特点是电流纹波大 同时它的谐波成分也大 比如说这个这个临界模式 它是处在变频的状态 工作模式 它的频率呢也在变 所以它的谐波成分比较大 同时呢它的直流偏磁也很大 它是功率电流来决定的 所以 PFC 电感 是我们电感器里面最难设计的电感 它三个都很大 那么电感器它的功能什么呢 它是储存磁能是吧 但是呢储存不是一直储存 它是在励磁阶段储能 在去磁阶段它要把能量放出来 它只是处于一个中间过渡的储能功能 但是变压器不一样 变压器它完全没有储能 能量只是经过左手就是右手就出去了 那么电感呢是到经过左手存进来 过一会儿呢再从右手出去 我们看看电感的基本电路特性 那么很简单 L 等于单位电流产生的磁链 这就是我们电感的最最基本的定义 对吧 单位电流 它会产生的磁通 在我这个线圈上所造成的磁链 那如果我每匝线圈 穿过的磁通都一样的话 那么磁链就等于磁通乘上匝数 就等这个东西 那么根据电磁感应定律 e 等于磁链的导数 那么磁链又是电流乘电感 所以呢 e 就等于负的Ldi/dt 这个负号是表示抵消作用反方向 那么这个 L 呢我们就叫做电感 我们用一个电路符号 用这个四个半圆符号来表示这个电感 那么当我的电压 跟电流是同一个方向的时候 它就满足U是等于负的e 就等于 Ldi/dt 如果我的电压是一个 PWM 的一个方波 那么电流呢就是一个锯齿波 因为电压是等于电流的导数 当电感施加正向电压时 这边正这边负的时候 那么电流呢是在上升的 当我电感的电压变反了 反向的时候就在这个阶段 那么的电流呢是下降的 Δdi/dt 是负的 所以呢它的电流是下降的 那么这就是我们讲 电感的一个基本的电路特性 那同时电感还有一个储能特性 它储能储多少呢 磁场能量储能是 1/2BH 是单位储能密度 那么乘上体积就是我的总的储能 那么经过这个公式的推导呢 就可以得到它是等于 1/2LI 平方 也就是说储能不仅根电感有关 还跟电流有关 那么我们也可以 从一个电感的输入能量来看 我给它加个电压电流 它里面储存多少能量 那就从 i u 零积到T这个时刻 开始的时候电流是零 它没有能量 然后我电流上升 上升到T时刻 它有多少能量 那就从零积到T U又等于 Ldi/dt 那么这个积分出来 dt 消掉等于 di 那么同样会等于1/2LI平方 那也就是说我电路的输出的 给电感输出的能量 它都变为磁场能量 储存在我的磁芯里面 我的磁路里面 我们来看看电感的基本特性 第一个特性 电感磁通是不能跃变的 也就是说我的磁路的磁通它是不能跃变的 如果我的匝数没有变化 磁路在这个换流时刻没有变化 也就意味着我的电流是不能跃变的 所以我们经常讲电感电流不能跃变 但是这是一个前提 你匝数没有变 磁路没有变 那么就相当于电感电流不能跃变 因为如果你电感是恒定的 如果你电流跃变了 意味着 di/dt 会趋向于无限大 就会产生很大的电压 反过来说不可能有无限的电压 那么电流呢就不可能是跃变的 但本质上讲是磁通不能跃变 或者说是磁场能量不能跃变 那么我们这里就举一个反激电路 在我换流的时刻开关 从闭合到打开那个瞬间 它就电流呢就从原边断掉了 原边电流就消失了 它就转移到副边去 那么这个转移多少 大家都知道根据什么 按照平衡是吧 根据这个磁势平衡的道理来 那么磁势平衡实际上是本质上是什么呢 就是磁通不能跃变 这个是励磁阶段电流 上升到ip负这个时刻 开关一打开 在第一时间我一打开 原边电流没了 但是呢它的电流就转移到副边去了 原边这个时的电流是等于 ip- 乘 NP 乘上磁导 那么在开关切换以后 开关断开以后呢就变成 is+ + 表示 d 的正一点点 它 + 是等于什么呢 等于 is+ 它匝数变成什么 变成 NS 了 它的磁导还是没变 因为整个磁芯结构没变是吧 它还是等于这个东西 所以呢这两个磁通 在换流的瞬间 d 的负到 d 的正 这个时间里面它是相等的 所以呢就得到 IPNP · ISNS 得到这样一个公式 所以说大家讲磁链相等 本质上是磁通不能跃变 再一个呢我们看看 电感的励磁跟去磁磁通必须平衡 或者说电流的上升要等于电流的下降 那么这个就是一个简单的 BUCK 电路是吧 当我开关 ON 的时候 实际上我电感的电压是 VI 减掉 VO 它的时间是 Toff 那么除上我的匝数 就是我的磁通的上升量 也就是在 Ton 这个时间段 磁通上升的ΔΦ+ 我开关一打开 这个二极管续流 那么这个电压呢 变成等于负的VO是吧 那么它的时间如果是Toff的话 那么伏就是 VO 秒就 Toff 匝数也是 N 因为它电感 匝数是固定的 那么它下降的磁通 Φ- 就等于这个 磁通必须平衡 那么 Φ+ 要等于 Φ- 所以就会推出来 我电压的转换比是等于 开关工作的占空比 所以说大家对电感来说 你们说是电流的上升等于下降也可以 但本质上是磁通的 励磁要等于去磁 所以说电感工作 它要正常工作必须要去磁 或者说复位 或者说续流是吧 那么我们在电能电子里面 靠什么来复位续流呢 一个是有源的 我通过一个电源 我励磁的时候呢走这条路 它通过这个电压给这个电感励磁 这个开关一打开 这个电压就不起作用了 那么它的电流怎么办呢 它要走另外一条回路 续流就从这边回去了 那么这个续流呢 实际上就是一种能量的反馈 就是把能量去除掉 这时候呢它就把能量呢 灌回到这个电源里面去 那么这个电源可以是电容 也可以是输入电压 都可以 去把能量呢返回回去了 那么这个是等于说有能量反馈的 比如说有源钳位 这种呢就属于有能量反馈的 那么还有呢是能量把它消耗掉了 励磁的时候呢它这样走 然后一去磁呢 这个电流呢 就经过这个二极管经过这个电阻续流 那么这个电阻流过电流就会有电压降 那么这个电压降就是负的电压 它就会使我的电感的磁芯呢 里面的磁通呢复位 降低是吧 那但是呢这个属于有损去磁 它把能量给它消耗掉了 那么我们的吸收电路 RCD 吸收电路 它实际上就是属于有损的去磁电路 那么我们来看一看 正激电路电感的磁复位的分析 这里面有两个磁元件 一个是滤波电感 一个是变压器 变压器虽然它不是电感 但是呢它总有一部分的激磁电感在 所以这部分能量它也要把它复位掉 否则的话呢它也不能稳定的工作 所以当我开关闭合的时候 那么加在我这个 LM 激磁电感上面的电压 就等于 VI 时间是 DTS 这个是DTS 这是它的上升的磁通 去磁呢 它怎么怎么去磁呢 开关一打开 这个开关一打开 这时候这边电流被断掉了 那这个二极管也截止了 这个续流了二极管也截止了 所以呢这个必然上面呢就没电流了 那这时候这个电流往哪里流呢 它就转移到我的复位绕组上 复位绕组的同名端是反的 复位绕组呢就把这个能量呢 传回到输入端来了 那么这个就它的一个复位过程 复位的时候它的电压等于什么呢 等于 VI 但是呢这边的电压要经过一个匝比 Nr 跟 Np 这个匝比 这个是 VI 是吧 那么它是 Np 跟 Nr 的一个匝比 就折到这边来 然后它的时间是 1-D 所以呢它的磁通的上升是 1-D 那么这两个呢必须相等 要保证我的伏秒平衡 那么 Ф+ 就要等于 Ф- 那如果我的 Nr 跟 Np 是相等的 那么我的占空比呢 就不能超过 0.5 否则的话呢我就没有时间去复位 因为励磁花了 0.5 以上的时间 那么我的去磁呢 就没有时间了 就时间就不够了 因为总共就是 1 所以这时候呢它的占空比不能超过0.5 如果 Nr 跟 Np 匝比是一样的话 它就没办法复位了 那么同样对于这个电感 那么它的励磁的磁通呢 是就前面分析一样的是吧 是这个电压 VI 折过来 然后减掉 VO 加在上面 它通过时间是 dt 那么就等于这个公式是吧 二极管开关一打开 这个二极管通 这个二极管断 这时候电压等于负的 VO 等于 VO 那么时间是 1-D 这两个相等就得到了我的电压转换比 所以说呢一个正激电路 它里面等于说是有两个电感 一个是激磁电感 一个是输出直流滤波电感 那么这两个电感它都要满足 激磁等于去磁两个磁通要相等 只不过说输出滤波电感 它是靠 VO 来去磁 那么激磁电感呢它是靠电源 Vin 来去磁 它把能量又返回到 VI 去了 那么我们再来看反激电路的复位 那么反激电路也有电感 那么这个电感的复位靠什么呢 这是开关 on 的时候 电流这样流过来 整流二极管是截止的 电流呢往上增加是吧 这里一个 Vin 是吧 时间是 dts 嘛它就增加 开关一打开 这时候输出二极管导通 副边电压等于 VO 是吧 副边电压就等于 Vo 那么折倒原边来 就是VO除上NS乘上NP那就得到这边电压 它的时间呢时间是 1-D 对吧 所以呢它这边电流就就断掉了 这边就有电流了 那么它就通过输出的电压 在我这个激磁电感上 把能量释放掉是吧 这个是励磁电流这个是去磁电流 那么这个电流经过这个理想变压器呢 经过这个变压器呢就转移到副边来了 那就变成了输出的一部分 所以呢这就是激磁伏秒积 就是磁通增加量 这个去磁伏秒积 即我磁通的减小量 然后这两个磁通要平衡 所以就得到反激电路的电压转换比 它也是基于磁通的 上升等于下降的道理来的 那么我们再来看一个 RCD 吸收电路 它的本质上它也是去磁 去谁的磁呢 它去的是漏感的磁 这是一个反激电路的 RCD 吸收电路 当我的开关闭合的时候电流这样流 一部分能量储存在激磁电感上 也就是我那个磁芯的气隙上 一部分呢储存在漏感上 那么激磁电感的这部分磁通 它通过开关的 off 它就转移到副边去了 但是呢漏感的能量 开关一断掉以后它没有回路 这个电感的电流它没有回去 这也被你断掉了它没回路 它也转不到副边去 那它怎么办呢 它就通过这个吸收电路 RCD 吸收电路 在这边形成一个续流回路 那么这个电流流过这个电容 上面会有电压 那么这个电压呢 就给我这个漏感呢去磁 所以说开关 ON 的时候 电源向激磁电感 Lm 和漏感 Lk 励磁 开关 off 后激磁电感 它通过输出电压给它复位 能量呢就反激到副边输出去了 但是漏感磁通它要通过电容的 VC 来复位 那么能量呢就通过 RCD 电路呢 吸收掉再消耗掉 所以呢电感的分析 就是要考虑到它的励磁等于去磁 电力电子电路里面很多电路 不管你是有源钳位 RCD 这些电路 它都是为了让我的电感的磁通 要能够复位 才有了这样的一些电路 那么这个呢就讲到这里 再见
这一节我们介绍电感与功率电感器
我们看看电感
在开关电源里面主要分为三种类型
第一种是谐振电感
它的特点是它的电流纹波很大
但它呢基本的波形是正弦波
所以它的谐波的成分很小
基本上没有
同时呢它是谐振电感
它就没有流过直流电流
虽然直流偏磁是没有的
第二类呢是属于直流滤波电感
那像我们的这个输出滤波电感
那么这个都算直流滤波电感
它的特点是它要流过比较大的一个直流
同时呢上面还有一个锯齿波的电流
其它的特点呢是电流纹波比较小
那么一般情况下
纹波跟直流的比值
我们叫做KRP
就是 ripple 的比值
大约在百分20到30左右是吧
那也就是说你 Peak to Peak 的
交流的成分跟我直流成分的比值是比较小的
但是它的特点是直流电流比较大
它是用于直流滤波的
那么第三类呢就是属于 PFC 电感
也就是说功率因素校正电感
它又分成 CCM 电流连续模式
跟电流断续模式
那么如果是连续模式
那么它的特点跟直流滤波电感很类似
只是说它的流过的低频成分是工频电流
那么工频电流跟我开关电流比起来
它的频率就很低了
我就把它当成是一个直流
但是如果我是临界模式
那么我的电流的纹波就很大
那么就大大大于直流滤波电感的这种
百分之二三十的这个纹波比
所以呢 PFC 电感
它的特点是电流纹波大
同时它的谐波成分也大
比如说这个这个临界模式
它是处在变频的状态 工作模式
它的频率呢也在变
所以它的谐波成分比较大
同时呢它的直流偏磁也很大
它是功率电流来决定的
所以 PFC 电感
是我们电感器里面最难设计的电感
它三个都很大
那么电感器它的功能什么呢
它是储存磁能是吧
但是呢储存不是一直储存
它是在励磁阶段储能
在去磁阶段它要把能量放出来
它只是处于一个中间过渡的储能功能
但是变压器不一样
变压器它完全没有储能
能量只是经过左手就是右手就出去了
那么电感呢是到经过左手存进来
过一会儿呢再从右手出去
我们看看电感的基本电路特性
那么很简单
L 等于单位电流产生的磁链
这就是我们电感的最最基本的定义
对吧 单位电流
它会产生的磁通
在我这个线圈上所造成的磁链
那如果我每匝线圈
穿过的磁通都一样的话
那么磁链就等于磁通乘上匝数
就等这个东西
那么根据电磁感应定律
e 等于磁链的导数
那么磁链又是电流乘电感
所以呢 e 就等于负的Ldi/dt
这个负号是表示抵消作用反方向
那么这个 L 呢我们就叫做电感
我们用一个电路符号
用这个四个半圆符号来表示这个电感
那么当我的电压
跟电流是同一个方向的时候
它就满足U是等于负的e
就等于 Ldi/dt
如果我的电压是一个 PWM 的一个方波
那么电流呢就是一个锯齿波
因为电压是等于电流的导数
当电感施加正向电压时
这边正这边负的时候
那么电流呢是在上升的
当我电感的电压变反了
反向的时候就在这个阶段
那么的电流呢是下降的
Δdi/dt 是负的
所以呢它的电流是下降的
那么这就是我们讲
电感的一个基本的电路特性
那同时电感还有一个储能特性
它储能储多少呢
磁场能量储能是 1/2BH
是单位储能密度
那么乘上体积就是我的总的储能
那么经过这个公式的推导呢
就可以得到它是等于 1/2LI 平方
也就是说储能不仅根电感有关
还跟电流有关
那么我们也可以
从一个电感的输入能量来看
我给它加个电压电流
它里面储存多少能量
那就从 i u 零积到T这个时刻
开始的时候电流是零
它没有能量
然后我电流上升 上升到T时刻
它有多少能量
那就从零积到T
U又等于 Ldi/dt 那么这个积分出来
dt 消掉等于 di
那么同样会等于1/2LI平方
那也就是说我电路的输出的
给电感输出的能量
它都变为磁场能量
储存在我的磁芯里面
我的磁路里面
我们来看看电感的基本特性
第一个特性
电感磁通是不能跃变的
也就是说我的磁路的磁通它是不能跃变的
如果我的匝数没有变化
磁路在这个换流时刻没有变化
也就意味着我的电流是不能跃变的
所以我们经常讲电感电流不能跃变
但是这是一个前提
你匝数没有变
磁路没有变
那么就相当于电感电流不能跃变
因为如果你电感是恒定的
如果你电流跃变了
意味着 di/dt 会趋向于无限大
就会产生很大的电压
反过来说不可能有无限的电压
那么电流呢就不可能是跃变的
但本质上讲是磁通不能跃变
或者说是磁场能量不能跃变
那么我们这里就举一个反激电路
在我换流的时刻开关
从闭合到打开那个瞬间
它就电流呢就从原边断掉了
原边电流就消失了
它就转移到副边去
那么这个转移多少
大家都知道根据什么
按照平衡是吧
根据这个磁势平衡的道理来
那么磁势平衡实际上是本质上是什么呢
就是磁通不能跃变
这个是励磁阶段电流
上升到ip负这个时刻
开关一打开
在第一时间我一打开
原边电流没了
但是呢它的电流就转移到副边去了
原边这个时的电流是等于
ip- 乘 NP 乘上磁导
那么在开关切换以后
开关断开以后呢就变成 is+
+ 表示 d 的正一点点
它 + 是等于什么呢 等于 is+
它匝数变成什么 变成 NS 了
它的磁导还是没变
因为整个磁芯结构没变是吧
它还是等于这个东西
所以呢这两个磁通
在换流的瞬间
d 的负到 d 的正
这个时间里面它是相等的
所以呢就得到 IPNP · ISNS
得到这样一个公式
所以说大家讲磁链相等
本质上是磁通不能跃变
再一个呢我们看看
电感的励磁跟去磁磁通必须平衡
或者说电流的上升要等于电流的下降
那么这个就是一个简单的
BUCK 电路是吧
当我开关 ON 的时候
实际上我电感的电压是 VI 减掉 VO
它的时间是 Toff
那么除上我的匝数
就是我的磁通的上升量
也就是在 Ton 这个时间段
磁通上升的ΔΦ+
我开关一打开
这个二极管续流
那么这个电压呢
变成等于负的VO是吧
那么它的时间如果是Toff的话
那么伏就是 VO 秒就 Toff
匝数也是 N
因为它电感 匝数是固定的
那么它下降的磁通
Φ- 就等于这个
磁通必须平衡
那么 Φ+ 要等于 Φ-
所以就会推出来
我电压的转换比是等于
开关工作的占空比
所以说大家对电感来说
你们说是电流的上升等于下降也可以
但本质上是磁通的
励磁要等于去磁
所以说电感工作
它要正常工作必须要去磁
或者说复位
或者说续流是吧
那么我们在电能电子里面
靠什么来复位续流呢
一个是有源的
我通过一个电源
我励磁的时候呢走这条路
它通过这个电压给这个电感励磁
这个开关一打开
这个电压就不起作用了
那么它的电流怎么办呢
它要走另外一条回路
续流就从这边回去了
那么这个续流呢
实际上就是一种能量的反馈
就是把能量去除掉
这时候呢它就把能量呢
灌回到这个电源里面去
那么这个电源可以是电容
也可以是输入电压
都可以 去把能量呢返回回去了
那么这个是等于说有能量反馈的
比如说有源钳位
这种呢就属于有能量反馈的
那么还有呢是能量把它消耗掉了
励磁的时候呢它这样走
然后一去磁呢 这个电流呢
就经过这个二极管经过这个电阻续流
那么这个电阻流过电流就会有电压降
那么这个电压降就是负的电压
它就会使我的电感的磁芯呢
里面的磁通呢复位 降低是吧
那但是呢这个属于有损去磁
它把能量给它消耗掉了
那么我们的吸收电路 RCD 吸收电路
它实际上就是属于有损的去磁电路
那么我们来看一看
正激电路电感的磁复位的分析
这里面有两个磁元件
一个是滤波电感 一个是变压器
变压器虽然它不是电感
但是呢它总有一部分的激磁电感在
所以这部分能量它也要把它复位掉
否则的话呢它也不能稳定的工作
所以当我开关闭合的时候
那么加在我这个 LM
激磁电感上面的电压
就等于 VI
时间是 DTS 这个是DTS
这是它的上升的磁通
去磁呢 它怎么怎么去磁呢
开关一打开
这个开关一打开
这时候这边电流被断掉了
那这个二极管也截止了
这个续流了二极管也截止了
所以呢这个必然上面呢就没电流了
那这时候这个电流往哪里流呢
它就转移到我的复位绕组上
复位绕组的同名端是反的
复位绕组呢就把这个能量呢
传回到输入端来了
那么这个就它的一个复位过程
复位的时候它的电压等于什么呢 等于 VI
但是呢这边的电压要经过一个匝比
Nr 跟 Np 这个匝比
这个是 VI 是吧
那么它是 Np 跟 Nr 的一个匝比
就折到这边来
然后它的时间是 1-D
所以呢它的磁通的上升是 1-D
那么这两个呢必须相等
要保证我的伏秒平衡
那么 Ф+ 就要等于 Ф-
那如果我的 Nr 跟 Np 是相等的
那么我的占空比呢
就不能超过 0.5
否则的话呢我就没有时间去复位
因为励磁花了 0.5 以上的时间
那么我的去磁呢
就没有时间了 就时间就不够了
因为总共就是 1
所以这时候呢它的占空比不能超过0.5
如果 Nr 跟 Np 匝比是一样的话
它就没办法复位了
那么同样对于这个电感
那么它的励磁的磁通呢
是就前面分析一样的是吧
是这个电压 VI 折过来
然后减掉 VO 加在上面
它通过时间是 dt
那么就等于这个公式是吧
二极管开关一打开
这个二极管通 这个二极管断
这时候电压等于负的 VO
等于 VO 那么时间是 1-D
这两个相等就得到了我的电压转换比
所以说呢一个正激电路
它里面等于说是有两个电感
一个是激磁电感
一个是输出直流滤波电感
那么这两个电感它都要满足
激磁等于去磁两个磁通要相等
只不过说输出滤波电感
它是靠 VO 来去磁
那么激磁电感呢它是靠电源 Vin 来去磁
它把能量又返回到 VI 去了
那么我们再来看反激电路的复位
那么反激电路也有电感
那么这个电感的复位靠什么呢
这是开关 on 的时候
电流这样流过来
整流二极管是截止的
电流呢往上增加是吧
这里一个 Vin 是吧
时间是 dts 嘛它就增加
开关一打开
这时候输出二极管导通
副边电压等于 VO 是吧
副边电压就等于 Vo
那么折倒原边来
就是VO除上NS乘上NP那就得到这边电压
它的时间呢时间是 1-D 对吧
所以呢它这边电流就就断掉了
这边就有电流了
那么它就通过输出的电压
在我这个激磁电感上
把能量释放掉是吧
这个是励磁电流这个是去磁电流
那么这个电流经过这个理想变压器呢
经过这个变压器呢就转移到副边来了
那就变成了输出的一部分
所以呢这就是激磁伏秒积
就是磁通增加量
这个去磁伏秒积 即我磁通的减小量
然后这两个磁通要平衡
所以就得到反激电路的电压转换比
它也是基于磁通的
上升等于下降的道理来的
那么我们再来看一个 RCD 吸收电路
它的本质上它也是去磁
去谁的磁呢
它去的是漏感的磁
这是一个反激电路的 RCD 吸收电路
当我的开关闭合的时候电流这样流
一部分能量储存在激磁电感上
也就是我那个磁芯的气隙上
一部分呢储存在漏感上
那么激磁电感的这部分磁通
它通过开关的 off
它就转移到副边去了
但是呢漏感的能量
开关一断掉以后它没有回路
这个电感的电流它没有回去
这也被你断掉了它没回路
它也转不到副边去
那它怎么办呢
它就通过这个吸收电路 RCD 吸收电路
在这边形成一个续流回路
那么这个电流流过这个电容
上面会有电压
那么这个电压呢
就给我这个漏感呢去磁
所以说开关 ON 的时候
电源向激磁电感 Lm 和漏感 Lk 励磁
开关 off 后激磁电感
它通过输出电压给它复位
能量呢就反激到副边输出去了
但是漏感磁通它要通过电容的 VC 来复位
那么能量呢就通过 RCD 电路呢
吸收掉再消耗掉
所以呢电感的分析
就是要考虑到它的励磁等于去磁
电力电子电路里面很多电路
不管你是有源钳位 RCD 这些电路
它都是为了让我的电感的磁通
要能够复位
才有了这样的一些电路
那么这个呢就讲到这里
再见
这一节我们介绍电感与功率电感器 我们看看电感 在开关电源里面主要分为三种类型 第一种是谐振电感 它的特点是它的电流纹波很大 但它呢基本的波形是正弦波 所以它的谐波的成分很小 基本上没有 同时呢它是谐振电感 它就没有流过直流电流 虽然直流偏磁是没有的 第二类呢是属于直流滤波电感 那像我们的这个输出滤波电感 那么这个都算直流滤波电感 它的特点是它要流过比较大的一个直流 同时呢上面还有一个锯齿波的电流 其它的特点呢是电流纹波比较小 那么一般情况下 纹波跟直流的比值 我们叫做KRP 就是 ripple 的比值 大约在百分20到30左右是吧 那也就是说你 Peak to Peak 的 交流的成分跟我直流成分的比值是比较小的 但是它的特点是直流电流比较大 它是用于直流滤波的 那么第三类呢就是属于 PFC 电感 也就是说功率因素校正电感 它又分成 CCM 电流连续模式 跟电流断续模式 那么如果是连续模式 那么它的特点跟直流滤波电感很类似 只是说它的流过的低频成分是工频电流 那么工频电流跟我开关电流比起来 它的频率就很低了 我就把它当成是一个直流 但是如果我是临界模式 那么我的电流的纹波就很大 那么就大大大于直流滤波电感的这种 百分之二三十的这个纹波比 所以呢 PFC 电感 它的特点是电流纹波大 同时它的谐波成分也大 比如说这个这个临界模式 它是处在变频的状态 工作模式 它的频率呢也在变 所以它的谐波成分比较大 同时呢它的直流偏磁也很大 它是功率电流来决定的 所以 PFC 电感 是我们电感器里面最难设计的电感 它三个都很大 那么电感器它的功能什么呢 它是储存磁能是吧 但是呢储存不是一直储存 它是在励磁阶段储能 在去磁阶段它要把能量放出来 它只是处于一个中间过渡的储能功能 但是变压器不一样 变压器它完全没有储能 能量只是经过左手就是右手就出去了 那么电感呢是到经过左手存进来 过一会儿呢再从右手出去 我们看看电感的基本电路特性 那么很简单 L 等于单位电流产生的磁链 这就是我们电感的最最基本的定义 对吧 单位电流 它会产生的磁通 在我这个线圈上所造成的磁链 那如果我每匝线圈 穿过的磁通都一样的话 那么磁链就等于磁通乘上匝数 就等这个东西 那么根据电磁感应定律 e 等于磁链的导数 那么磁链又是电流乘电感 所以呢 e 就等于负的Ldi/dt 这个负号是表示抵消作用反方向 那么这个 L 呢我们就叫做电感 我们用一个电路符号 用这个四个半圆符号来表示这个电感 那么当我的电压 跟电流是同一个方向的时候 它就满足U是等于负的e 就等于 Ldi/dt 如果我的电压是一个 PWM 的一个方波 那么电流呢就是一个锯齿波 因为电压是等于电流的导数 当电感施加正向电压时 这边正这边负的时候 那么电流呢是在上升的 当我电感的电压变反了 反向的时候就在这个阶段 那么的电流呢是下降的 Δdi/dt 是负的 所以呢它的电流是下降的 那么这就是我们讲 电感的一个基本的电路特性 那同时电感还有一个储能特性 它储能储多少呢 磁场能量储能是 1/2BH 是单位储能密度 那么乘上体积就是我的总的储能 那么经过这个公式的推导呢 就可以得到它是等于 1/2LI 平方 也就是说储能不仅根电感有关 还跟电流有关 那么我们也可以 从一个电感的输入能量来看 我给它加个电压电流 它里面储存多少能量 那就从 i u 零积到T这个时刻 开始的时候电流是零 它没有能量 然后我电流上升 上升到T时刻 它有多少能量 那就从零积到T U又等于 Ldi/dt 那么这个积分出来 dt 消掉等于 di 那么同样会等于1/2LI平方 那也就是说我电路的输出的 给电感输出的能量 它都变为磁场能量 储存在我的磁芯里面 我的磁路里面 我们来看看电感的基本特性 第一个特性 电感磁通是不能跃变的 也就是说我的磁路的磁通它是不能跃变的 如果我的匝数没有变化 磁路在这个换流时刻没有变化 也就意味着我的电流是不能跃变的 所以我们经常讲电感电流不能跃变 但是这是一个前提 你匝数没有变 磁路没有变 那么就相当于电感电流不能跃变 因为如果你电感是恒定的 如果你电流跃变了 意味着 di/dt 会趋向于无限大 就会产生很大的电压 反过来说不可能有无限的电压 那么电流呢就不可能是跃变的 但本质上讲是磁通不能跃变 或者说是磁场能量不能跃变 那么我们这里就举一个反激电路 在我换流的时刻开关 从闭合到打开那个瞬间 它就电流呢就从原边断掉了 原边电流就消失了 它就转移到副边去 那么这个转移多少 大家都知道根据什么 按照平衡是吧 根据这个磁势平衡的道理来 那么磁势平衡实际上是本质上是什么呢 就是磁通不能跃变 这个是励磁阶段电流 上升到ip负这个时刻 开关一打开 在第一时间我一打开 原边电流没了 但是呢它的电流就转移到副边去了 原边这个时的电流是等于 ip- 乘 NP 乘上磁导 那么在开关切换以后 开关断开以后呢就变成 is+ + 表示 d 的正一点点 它 + 是等于什么呢 等于 is+ 它匝数变成什么 变成 NS 了 它的磁导还是没变 因为整个磁芯结构没变是吧 它还是等于这个东西 所以呢这两个磁通 在换流的瞬间 d 的负到 d 的正 这个时间里面它是相等的 所以呢就得到 IPNP · ISNS 得到这样一个公式 所以说大家讲磁链相等 本质上是磁通不能跃变 再一个呢我们看看 电感的励磁跟去磁磁通必须平衡 或者说电流的上升要等于电流的下降 那么这个就是一个简单的 BUCK 电路是吧 当我开关 ON 的时候 实际上我电感的电压是 VI 减掉 VO 它的时间是 Toff 那么除上我的匝数 就是我的磁通的上升量 也就是在 Ton 这个时间段 磁通上升的ΔΦ+ 我开关一打开 这个二极管续流 那么这个电压呢 变成等于负的VO是吧 那么它的时间如果是Toff的话 那么伏就是 VO 秒就 Toff 匝数也是 N 因为它电感 匝数是固定的 那么它下降的磁通 Φ- 就等于这个 磁通必须平衡 那么 Φ+ 要等于 Φ- 所以就会推出来 我电压的转换比是等于 开关工作的占空比 所以说大家对电感来说 你们说是电流的上升等于下降也可以 但本质上是磁通的 励磁要等于去磁 所以说电感工作 它要正常工作必须要去磁 或者说复位 或者说续流是吧 那么我们在电能电子里面 靠什么来复位续流呢 一个是有源的 我通过一个电源 我励磁的时候呢走这条路 它通过这个电压给这个电感励磁 这个开关一打开 这个电压就不起作用了 那么它的电流怎么办呢 它要走另外一条回路 续流就从这边回去了 那么这个续流呢 实际上就是一种能量的反馈 就是把能量去除掉 这时候呢它就把能量呢 灌回到这个电源里面去 那么这个电源可以是电容 也可以是输入电压 都可以 去把能量呢返回回去了 那么这个是等于说有能量反馈的 比如说有源钳位 这种呢就属于有能量反馈的 那么还有呢是能量把它消耗掉了 励磁的时候呢它这样走 然后一去磁呢 这个电流呢 就经过这个二极管经过这个电阻续流 那么这个电阻流过电流就会有电压降 那么这个电压降就是负的电压 它就会使我的电感的磁芯呢 里面的磁通呢复位 降低是吧 那但是呢这个属于有损去磁 它把能量给它消耗掉了 那么我们的吸收电路 RCD 吸收电路 它实际上就是属于有损的去磁电路 那么我们来看一看 正激电路电感的磁复位的分析 这里面有两个磁元件 一个是滤波电感 一个是变压器 变压器虽然它不是电感 但是呢它总有一部分的激磁电感在 所以这部分能量它也要把它复位掉 否则的话呢它也不能稳定的工作 所以当我开关闭合的时候 那么加在我这个 LM 激磁电感上面的电压 就等于 VI 时间是 DTS 这个是DTS 这是它的上升的磁通 去磁呢 它怎么怎么去磁呢 开关一打开 这个开关一打开 这时候这边电流被断掉了 那这个二极管也截止了 这个续流了二极管也截止了 所以呢这个必然上面呢就没电流了 那这时候这个电流往哪里流呢 它就转移到我的复位绕组上 复位绕组的同名端是反的 复位绕组呢就把这个能量呢 传回到输入端来了 那么这个就它的一个复位过程 复位的时候它的电压等于什么呢 等于 VI 但是呢这边的电压要经过一个匝比 Nr 跟 Np 这个匝比 这个是 VI 是吧 那么它是 Np 跟 Nr 的一个匝比 就折到这边来 然后它的时间是 1-D 所以呢它的磁通的上升是 1-D 那么这两个呢必须相等 要保证我的伏秒平衡 那么 Ф+ 就要等于 Ф- 那如果我的 Nr 跟 Np 是相等的 那么我的占空比呢 就不能超过 0.5 否则的话呢我就没有时间去复位 因为励磁花了 0.5 以上的时间 那么我的去磁呢 就没有时间了 就时间就不够了 因为总共就是 1 所以这时候呢它的占空比不能超过0.5 如果 Nr 跟 Np 匝比是一样的话 它就没办法复位了 那么同样对于这个电感 那么它的励磁的磁通呢 是就前面分析一样的是吧 是这个电压 VI 折过来 然后减掉 VO 加在上面 它通过时间是 dt 那么就等于这个公式是吧 二极管开关一打开 这个二极管通 这个二极管断 这时候电压等于负的 VO 等于 VO 那么时间是 1-D 这两个相等就得到了我的电压转换比 所以说呢一个正激电路 它里面等于说是有两个电感 一个是激磁电感 一个是输出直流滤波电感 那么这两个电感它都要满足 激磁等于去磁两个磁通要相等 只不过说输出滤波电感 它是靠 VO 来去磁 那么激磁电感呢它是靠电源 Vin 来去磁 它把能量又返回到 VI 去了 那么我们再来看反激电路的复位 那么反激电路也有电感 那么这个电感的复位靠什么呢 这是开关 on 的时候 电流这样流过来 整流二极管是截止的 电流呢往上增加是吧 这里一个 Vin 是吧 时间是 dts 嘛它就增加 开关一打开 这时候输出二极管导通 副边电压等于 VO 是吧 副边电压就等于 Vo 那么折倒原边来 就是VO除上NS乘上NP那就得到这边电压 它的时间呢时间是 1-D 对吧 所以呢它这边电流就就断掉了 这边就有电流了 那么它就通过输出的电压 在我这个激磁电感上 把能量释放掉是吧 这个是励磁电流这个是去磁电流 那么这个电流经过这个理想变压器呢 经过这个变压器呢就转移到副边来了 那就变成了输出的一部分 所以呢这就是激磁伏秒积 就是磁通增加量 这个去磁伏秒积 即我磁通的减小量 然后这两个磁通要平衡 所以就得到反激电路的电压转换比 它也是基于磁通的 上升等于下降的道理来的 那么我们再来看一个 RCD 吸收电路 它的本质上它也是去磁 去谁的磁呢 它去的是漏感的磁 这是一个反激电路的 RCD 吸收电路 当我的开关闭合的时候电流这样流 一部分能量储存在激磁电感上 也就是我那个磁芯的气隙上 一部分呢储存在漏感上 那么激磁电感的这部分磁通 它通过开关的 off 它就转移到副边去了 但是呢漏感的能量 开关一断掉以后它没有回路 这个电感的电流它没有回去 这也被你断掉了它没回路 它也转不到副边去 那它怎么办呢 它就通过这个吸收电路 RCD 吸收电路 在这边形成一个续流回路 那么这个电流流过这个电容 上面会有电压 那么这个电压呢 就给我这个漏感呢去磁 所以说开关 ON 的时候 电源向激磁电感 Lm 和漏感 Lk 励磁 开关 off 后激磁电感 它通过输出电压给它复位 能量呢就反激到副边输出去了 但是漏感磁通它要通过电容的 VC 来复位 那么能量呢就通过 RCD 电路呢 吸收掉再消耗掉 所以呢电感的分析 就是要考虑到它的励磁等于去磁 电力电子电路里面很多电路 不管你是有源钳位 RCD 这些电路 它都是为了让我的电感的磁通 要能够复位 才有了这样的一些电路 那么这个呢就讲到这里 再见
这一节我们介绍电感与功率电感器
我们看看电感
在开关电源里面主要分为三种类型
第一种是谐振电感
它的特点是它的电流纹波很大
但它呢基本的波形是正弦波
所以它的谐波的成分很小
基本上没有
同时呢它是谐振电感
它就没有流过直流电流
虽然直流偏磁是没有的
第二类呢是属于直流滤波电感
那像我们的这个输出滤波电感
那么这个都算直流滤波电感
它的特点是它要流过比较大的一个直流
同时呢上面还有一个锯齿波的电流
其它的特点呢是电流纹波比较小
那么一般情况下
纹波跟直流的比值
我们叫做KRP
就是 ripple 的比值
大约在百分20到30左右是吧
那也就是说你 Peak to Peak 的
交流的成分跟我直流成分的比值是比较小的
但是它的特点是直流电流比较大
它是用于直流滤波的
那么第三类呢就是属于 PFC 电感
也就是说功率因素校正电感
它又分成 CCM 电流连续模式
跟电流断续模式
那么如果是连续模式
那么它的特点跟直流滤波电感很类似
只是说它的流过的低频成分是工频电流
那么工频电流跟我开关电流比起来
它的频率就很低了
我就把它当成是一个直流
但是如果我是临界模式
那么我的电流的纹波就很大
那么就大大大于直流滤波电感的这种
百分之二三十的这个纹波比
所以呢 PFC 电感
它的特点是电流纹波大
同时它的谐波成分也大
比如说这个这个临界模式
它是处在变频的状态 工作模式
它的频率呢也在变
所以它的谐波成分比较大
同时呢它的直流偏磁也很大
它是功率电流来决定的
所以 PFC 电感
是我们电感器里面最难设计的电感
它三个都很大
那么电感器它的功能什么呢
它是储存磁能是吧
但是呢储存不是一直储存
它是在励磁阶段储能
在去磁阶段它要把能量放出来
它只是处于一个中间过渡的储能功能
但是变压器不一样
变压器它完全没有储能
能量只是经过左手就是右手就出去了
那么电感呢是到经过左手存进来
过一会儿呢再从右手出去
我们看看电感的基本电路特性
那么很简单
L 等于单位电流产生的磁链
这就是我们电感的最最基本的定义
对吧 单位电流
它会产生的磁通
在我这个线圈上所造成的磁链
那如果我每匝线圈
穿过的磁通都一样的话
那么磁链就等于磁通乘上匝数
就等这个东西
那么根据电磁感应定律
e 等于磁链的导数
那么磁链又是电流乘电感
所以呢 e 就等于负的Ldi/dt
这个负号是表示抵消作用反方向
那么这个 L 呢我们就叫做电感
我们用一个电路符号
用这个四个半圆符号来表示这个电感
那么当我的电压
跟电流是同一个方向的时候
它就满足U是等于负的e
就等于 Ldi/dt
如果我的电压是一个 PWM 的一个方波
那么电流呢就是一个锯齿波
因为电压是等于电流的导数
当电感施加正向电压时
这边正这边负的时候
那么电流呢是在上升的
当我电感的电压变反了
反向的时候就在这个阶段
那么的电流呢是下降的
Δdi/dt 是负的
所以呢它的电流是下降的
那么这就是我们讲
电感的一个基本的电路特性
那同时电感还有一个储能特性
它储能储多少呢
磁场能量储能是 1/2BH
是单位储能密度
那么乘上体积就是我的总的储能
那么经过这个公式的推导呢
就可以得到它是等于 1/2LI 平方
也就是说储能不仅根电感有关
还跟电流有关
那么我们也可以
从一个电感的输入能量来看
我给它加个电压电流
它里面储存多少能量
那就从 i u 零积到T这个时刻
开始的时候电流是零
它没有能量
然后我电流上升 上升到T时刻
它有多少能量
那就从零积到T
U又等于 Ldi/dt 那么这个积分出来
dt 消掉等于 di
那么同样会等于1/2LI平方
那也就是说我电路的输出的
给电感输出的能量
它都变为磁场能量
储存在我的磁芯里面
我的磁路里面
我们来看看电感的基本特性
第一个特性
电感磁通是不能跃变的
也就是说我的磁路的磁通它是不能跃变的
如果我的匝数没有变化
磁路在这个换流时刻没有变化
也就意味着我的电流是不能跃变的
所以我们经常讲电感电流不能跃变
但是这是一个前提
你匝数没有变
磁路没有变
那么就相当于电感电流不能跃变
因为如果你电感是恒定的
如果你电流跃变了
意味着 di/dt 会趋向于无限大
就会产生很大的电压
反过来说不可能有无限的电压
那么电流呢就不可能是跃变的
但本质上讲是磁通不能跃变
或者说是磁场能量不能跃变
那么我们这里就举一个反激电路
在我换流的时刻开关
从闭合到打开那个瞬间
它就电流呢就从原边断掉了
原边电流就消失了
它就转移到副边去
那么这个转移多少
大家都知道根据什么
按照平衡是吧
根据这个磁势平衡的道理来
那么磁势平衡实际上是本质上是什么呢
就是磁通不能跃变
这个是励磁阶段电流
上升到ip负这个时刻
开关一打开
在第一时间我一打开
原边电流没了
但是呢它的电流就转移到副边去了
原边这个时的电流是等于
ip- 乘 NP 乘上磁导
那么在开关切换以后
开关断开以后呢就变成 is+
+ 表示 d 的正一点点
它 + 是等于什么呢 等于 is+
它匝数变成什么 变成 NS 了
它的磁导还是没变
因为整个磁芯结构没变是吧
它还是等于这个东西
所以呢这两个磁通
在换流的瞬间
d 的负到 d 的正
这个时间里面它是相等的
所以呢就得到 IPNP · ISNS
得到这样一个公式
所以说大家讲磁链相等
本质上是磁通不能跃变
再一个呢我们看看
电感的励磁跟去磁磁通必须平衡
或者说电流的上升要等于电流的下降
那么这个就是一个简单的
BUCK 电路是吧
当我开关 ON 的时候
实际上我电感的电压是 VI 减掉 VO
它的时间是 Toff
那么除上我的匝数
就是我的磁通的上升量
也就是在 Ton 这个时间段
磁通上升的ΔΦ+
我开关一打开
这个二极管续流
那么这个电压呢
变成等于负的VO是吧
那么它的时间如果是Toff的话
那么伏就是 VO 秒就 Toff
匝数也是 N
因为它电感 匝数是固定的
那么它下降的磁通
Φ- 就等于这个
磁通必须平衡
那么 Φ+ 要等于 Φ-
所以就会推出来
我电压的转换比是等于
开关工作的占空比
所以说大家对电感来说
你们说是电流的上升等于下降也可以
但本质上是磁通的
励磁要等于去磁
所以说电感工作
它要正常工作必须要去磁
或者说复位
或者说续流是吧
那么我们在电能电子里面
靠什么来复位续流呢
一个是有源的
我通过一个电源
我励磁的时候呢走这条路
它通过这个电压给这个电感励磁
这个开关一打开
这个电压就不起作用了
那么它的电流怎么办呢
它要走另外一条回路
续流就从这边回去了
那么这个续流呢
实际上就是一种能量的反馈
就是把能量去除掉
这时候呢它就把能量呢
灌回到这个电源里面去
那么这个电源可以是电容
也可以是输入电压
都可以 去把能量呢返回回去了
那么这个是等于说有能量反馈的
比如说有源钳位
这种呢就属于有能量反馈的
那么还有呢是能量把它消耗掉了
励磁的时候呢它这样走
然后一去磁呢 这个电流呢
就经过这个二极管经过这个电阻续流
那么这个电阻流过电流就会有电压降
那么这个电压降就是负的电压
它就会使我的电感的磁芯呢
里面的磁通呢复位 降低是吧
那但是呢这个属于有损去磁
它把能量给它消耗掉了
那么我们的吸收电路 RCD 吸收电路
它实际上就是属于有损的去磁电路
那么我们来看一看
正激电路电感的磁复位的分析
这里面有两个磁元件
一个是滤波电感 一个是变压器
变压器虽然它不是电感
但是呢它总有一部分的激磁电感在
所以这部分能量它也要把它复位掉
否则的话呢它也不能稳定的工作
所以当我开关闭合的时候
那么加在我这个 LM
激磁电感上面的电压
就等于 VI
时间是 DTS 这个是DTS
这是它的上升的磁通
去磁呢 它怎么怎么去磁呢
开关一打开
这个开关一打开
这时候这边电流被断掉了
那这个二极管也截止了
这个续流了二极管也截止了
所以呢这个必然上面呢就没电流了
那这时候这个电流往哪里流呢
它就转移到我的复位绕组上
复位绕组的同名端是反的
复位绕组呢就把这个能量呢
传回到输入端来了
那么这个就它的一个复位过程
复位的时候它的电压等于什么呢 等于 VI
但是呢这边的电压要经过一个匝比
Nr 跟 Np 这个匝比
这个是 VI 是吧
那么它是 Np 跟 Nr 的一个匝比
就折到这边来
然后它的时间是 1-D
所以呢它的磁通的上升是 1-D
那么这两个呢必须相等
要保证我的伏秒平衡
那么 Ф+ 就要等于 Ф-
那如果我的 Nr 跟 Np 是相等的
那么我的占空比呢
就不能超过 0.5
否则的话呢我就没有时间去复位
因为励磁花了 0.5 以上的时间
那么我的去磁呢
就没有时间了 就时间就不够了
因为总共就是 1
所以这时候呢它的占空比不能超过0.5
如果 Nr 跟 Np 匝比是一样的话
它就没办法复位了
那么同样对于这个电感
那么它的励磁的磁通呢
是就前面分析一样的是吧
是这个电压 VI 折过来
然后减掉 VO 加在上面
它通过时间是 dt
那么就等于这个公式是吧
二极管开关一打开
这个二极管通 这个二极管断
这时候电压等于负的 VO
等于 VO 那么时间是 1-D
这两个相等就得到了我的电压转换比
所以说呢一个正激电路
它里面等于说是有两个电感
一个是激磁电感
一个是输出直流滤波电感
那么这两个电感它都要满足
激磁等于去磁两个磁通要相等
只不过说输出滤波电感
它是靠 VO 来去磁
那么激磁电感呢它是靠电源 Vin 来去磁
它把能量又返回到 VI 去了
那么我们再来看反激电路的复位
那么反激电路也有电感
那么这个电感的复位靠什么呢
这是开关 on 的时候
电流这样流过来
整流二极管是截止的
电流呢往上增加是吧
这里一个 Vin 是吧
时间是 dts 嘛它就增加
开关一打开
这时候输出二极管导通
副边电压等于 VO 是吧
副边电压就等于 Vo
那么折倒原边来
就是VO除上NS乘上NP那就得到这边电压
它的时间呢时间是 1-D 对吧
所以呢它这边电流就就断掉了
这边就有电流了
那么它就通过输出的电压
在我这个激磁电感上
把能量释放掉是吧
这个是励磁电流这个是去磁电流
那么这个电流经过这个理想变压器呢
经过这个变压器呢就转移到副边来了
那就变成了输出的一部分
所以呢这就是激磁伏秒积
就是磁通增加量
这个去磁伏秒积 即我磁通的减小量
然后这两个磁通要平衡
所以就得到反激电路的电压转换比
它也是基于磁通的
上升等于下降的道理来的
那么我们再来看一个 RCD 吸收电路
它的本质上它也是去磁
去谁的磁呢
它去的是漏感的磁
这是一个反激电路的 RCD 吸收电路
当我的开关闭合的时候电流这样流
一部分能量储存在激磁电感上
也就是我那个磁芯的气隙上
一部分呢储存在漏感上
那么激磁电感的这部分磁通
它通过开关的 off
它就转移到副边去了
但是呢漏感的能量
开关一断掉以后它没有回路
这个电感的电流它没有回去
这也被你断掉了它没回路
它也转不到副边去
那它怎么办呢
它就通过这个吸收电路 RCD 吸收电路
在这边形成一个续流回路
那么这个电流流过这个电容
上面会有电压
那么这个电压呢
就给我这个漏感呢去磁
所以说开关 ON 的时候
电源向激磁电感 Lm 和漏感 Lk 励磁
开关 off 后激磁电感
它通过输出电压给它复位
能量呢就反激到副边输出去了
但是漏感磁通它要通过电容的 VC 来复位
那么能量呢就通过 RCD 电路呢
吸收掉再消耗掉
所以呢电感的分析
就是要考虑到它的励磁等于去磁
电力电子电路里面很多电路
不管你是有源钳位 RCD 这些电路
它都是为了让我的电感的磁通
要能够复位
才有了这样的一些电路
那么这个呢就讲到这里
再见
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视频简介
1.7 电感与功率电感器
所属课程:电力电子磁技术基础
发布时间:2018.07.23
视频集数:8
本节视频时长:00:17:10
磁性元件是电力电子功率变换器的关键器件之一,对变换器的效率、功率密度以及各项性能都有关键影响。功率变换器磁性元件的特点是工作于开关态高频大功率工况下,与传统处理强电功率的工频磁性元件以及处理弱电信号的电子类磁性元件相比,有自己的特点。本章将从电磁理论基础出发,结合功率变换器的应用特点,使读者对电力电子磁元件技术有初步的了解,为进一步深化相关内容学习播下种子。
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