關于開關電源輸出濾波電感的電磁能平衡問題分析

開關電源的輸出濾波電感,也稱為平滑扼流圈。它的作用,主要是將整流后的電流進行展平,以得到較穩(wěn)定的輸出和平滑的波形。為了取得更好的效果,是否可以取較大的電感值呢?答案并非如此,取值過大時,反而會引起其它方面的不良影響。

  在參考文獻[1]一書中,作者在他試制一臺500W半橋式開關電源時,就遇到了這樣的情況。

  由于輸出電流較大,因此采用分流的辦法,用了兩只外徑為φ40mm的MPP磁粉芯。(文獻[1]第161頁)

  開始繞了24匝,即N=24,L=58μH。當Io=15~30A(平均每只IL=7.5~15A)時,高壓開關脈沖波形發(fā)生嚴重的自激抖動,高頻振蕩明顯加劇,強烈的尖刺干擾從副邊反射到原邊電路,甚至在電網(wǎng)輸入線和+20V輔助電源線上,都疊加了幅度高達5~6V的高頻噪聲干擾,并且在控制模塊SG3525A的兩輸出端和高壓開關管中點上脈沖都明顯可見。

  接著將匝數(shù)減少10匝,即N=14,L=20.6μH。Io=20~25A(平均每只IL=10~12.5A),開始穩(wěn)定了。Io=30A(平均每只IL=15A)時,高壓脈沖波形后沿仍有抖動。

  最后,匝數(shù)減少到只有8~10匝,L=10.1μH。Io=30A(平均每只IL=15A)時也能穩(wěn)定工作了。

  現(xiàn)在,對以上情況作一下簡要分析。

  根據(jù)作者在該書后面(文獻[1]第234頁)關于輸出濾波電感的計算公式

L=(Vi-Vo)ton/(2Iomin)    (1)

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

  開關頻率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。

  這就告訴我們,電感量的最小值為5.2μH,或者說臨界電感值為5.2μH。下面根據(jù)伏安(微)秒平衡的原理,來分析上述情況。

  磁能量W為

W=(1/2)LI2(VAs)or(VAμs)(3)

  電能功率P為

P=(1/2)LI2fsw(VA)    (4)

  公式轉(zhuǎn)換后為

P/fsw=(1/2)LI2

 

圖1  電原理圖

  將P用VI替代,1/fsw用T替代,得以下關系式

VIT=LI2/2      (5)

  對照圖1可知,V=Vi=18V,I=IL=15A。就有

VIT=18×15×12.5=270×12.5=3375VAμs。

  當N=24,Lo=58μH,15A時實際電感值取60%,L15=58×0.6=35μH。

  當N=14,Lo=20.6μH,15A時實際電感值取80%,L15=20.6×0.8=16.5μH。

  當N=10,Lo=10.6μH,15A時實際電感值取95%,L15=10.6×0.95=10.1μH。

  分別得到各組磁能為

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)

  前面計算的磁能為3375VAμs,實際上在占空比等于0.5時,還要折半就只有1687.5VAμs了。

  顯然,這點磁能——1687.5VAμs無法滿足式(6)和(7)這兩種情況。只有在式(8)時磁電能完全滿足要求,因此才能穩(wěn)定地工作。

  比較理想的情況是,電感值能隨著輸出電流變化而變化。起始電感值,要根據(jù)磁芯飽和曲線來確定為臨界電感值的1.5~3倍,不宜過大。以上分析,是否對頭,敬請專家同仁指正。

 


【上一個】 高頻開關通信電源系統(tǒng)的研制 【下一個】 一種高精度的自激式多路輸出穩(wěn)壓開關電源的設計


 ^ 關于開關電源輸出濾波電感的電磁能平衡問題分析