1.7 电感与功率电感器

继续观看,请前往德州仪器官网登陆myTI账号 登录myTI 登录说明 及FAQ 还没有myTI账号?现在注册

为广大用户更方便地访问EEWORLD和TI网站, 享受TI官方渠道便利,TI教室将与官方myTI进行连通,初次登录可能需要1~2分钟时间,还请大家多多支持。
如需帮助或查看详情请点击

展开字幕 关闭字幕 时长:17分10秒
评论 收藏 分享 上传者:hi5
这一节我们介绍电感与功率电感器 我们看看电感 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 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 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 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 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 比如说有源钳位 这种呢就属于有能量反馈 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 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 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 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 那么它就通过输出的电压 在我这个激磁电感 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 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 也就是我那个磁芯的气隙上 一部分呢储存在漏感 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 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
课程介绍 共计8课时,2小时24分4秒

电力电子磁技术基础

电感 变压器 软磁 气隙 非线性 磁路 高频功率 功率电感器 互感

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。
展开

主讲人简介
Speaker:陈为教授 他于1987年和1990年分别在福州大学获得硕士和博士学位。从1996年11月至1998年12月,他曾在美国弗吉尼亚州弗吉尼亚理工大学CPES(电力电子系统中心)担任高级客座教授两年。1999年至2008年,他一直在台达电子有限公司担任台达元件研究中心技术副总监和上海台达电力电子中心研发经理。他是CPSS(中国电源学会)理事会的执行委员,并担任CPSS变压器和电感器专业委员会主席。他一直从事开关电源,几十年来更专注于磁性和EMI技术。他与台达,中兴,华为,伊顿,欧姆龙,LG,Schaffner等知名公司紧密技术合作。他发表了80多篇技术论文,其中包括21篇IEEE Transactions and Proceedings。他拥有来自中国和美国的20多项获得批准的专利。他的研究兴趣包括功率转换,高频功率磁性元件,EMI调试与解决方案,无线电力传输,电磁场分析与应用,电气开关设备等。
分享到X
微博
QQ
QQ空间
微信

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新文章 手机版

站点相关: EEWORLD首页 EE大学堂 论坛 下载中心 Datasheet 活动专区 博客

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2017 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved