電感飽和與開(kāi)關(guān)電源之間的密切關(guān)系

在【精選知識(shí)講堂】丨電感飽和與開(kāi)關(guān)電源之間的密切關(guān)系，這篇講透了！(上篇）中，我們揭示了電感飽和與開(kāi)關(guān)電源之間的親密關(guān)系，并從開(kāi)關(guān)電源的控制模式開(kāi)始，用各種數(shù)學(xué)方法分析了功率電感器飽和對(duì)開(kāi)關(guān)模式電源控制運(yùn)行的影響。

那么，紋波網(wǎng)絡(luò)會(huì)給遲滯控制模式下的開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)什么樣的影響呢？我們利用R&S的一系列測(cè)試儀器（示波器、電源、探頭等）搭建出了一套測(cè)試系統(tǒng)，使用不同的電感器測(cè)量功率變換器的紋波電流和開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上篇文章中各種數(shù)學(xué)算法的可行性。

紋波網(wǎng)絡(luò)

使用去飽和電感器時(shí)，將電容和PCB中的寄生電感考慮在內(nèi)，有益于遲滯控制的運(yùn)行。還有一些遲滯控制的其他變體，引入了一些元件，在反饋控制信號(hào)中產(chǎn)生三角形紋波。在第一種情況中，在電容器種添加前饋電阻，這可以與具有極小ESR的陶瓷電容器一起使用。

第二種情況下，添加一個(gè)電容器，一個(gè)與分壓器電阻并聯(lián)的前饋電容器。有助于提高開(kāi)關(guān)頻率。

有幾種可能的紋波網(wǎng)絡(luò)解決方案，比如以下兩個(gè)，增加了三個(gè)元件、和，利用功率電感器上的方波電壓，在反饋信號(hào)上產(chǎn)生三角紋波。

讓我們看看其中一個(gè)解決方案的效果。例如，如果使用前饋加速電容器，如下圖所示。

它對(duì)反饋信號(hào)產(chǎn)生的影響如下圖所示，類(lèi)似于電容器或印刷電路板布局中的寄生電感，由此得到開(kāi)關(guān)頻率表達(dá)式如下。

由此可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)頻率有所增加。同樣，從公式中可以看出，當(dāng)調(diào)節(jié)器中有去飽和電感器時(shí)，較低負(fù)載時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)更低。較低負(fù)載時(shí)，效率會(huì)提升。而在最大負(fù)載時(shí)，沒(méi)有任何效果。

以下左圖是紋波網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)示例。注入遲滯比較器的反饋電壓，是和兩個(gè)信號(hào)作用的結(jié)果。這里的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)信號(hào)由RC高通濾波器提供。由此，可以得到三角形反饋信號(hào)。

另一方面，輸出電壓僅作用于直流分量和可能的負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象。

因此，開(kāi)關(guān)頻率由該附加紋波網(wǎng)絡(luò)決定，而調(diào)節(jié)器輸出由分壓器決定?？梢詫?dǎo)出在該網(wǎng)絡(luò)下開(kāi)關(guān)頻率和紋波的公式。

可以看到開(kāi)關(guān)頻率不再依賴(lài)于電感。事實(shí)上，這是使用紋波網(wǎng)絡(luò)的主要目的之一，使開(kāi)關(guān)頻率獨(dú)立于電感器和輸出電容器的ESR。以便可以使用沒(méi)有ESR或極小ESR的陶瓷電容器。但是紋波電流取決于電感器，因此，當(dāng)在較低負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，可以減少紋波電流。

實(shí)驗(yàn)示例

基于功率電感器行為模型，以上所有模型的計(jì)算都是可實(shí)現(xiàn)的。可以先測(cè)量這些行為模型，然后應(yīng)用適當(dāng)?shù)难葑兒?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/150/" target="_blank">人工智能算法生成類(lèi)似的公式。對(duì)于上述討論的遲滯控制功能的測(cè)試，可以使用TI-PMLK BUCK平臺(tái)。

可以使用上圖紅色矩形所示兩個(gè)部分，上半部分為遲滯控制器，下半部分為峰值電流模式控制器。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用遲滯控制器部分。此外，還特別考慮了三種不同的功率電感器，這三個(gè)功率電感器中有兩個(gè)尺寸相同（MSS7341-273和MSS7341-223），一個(gè)較大（MSS1038-183）為兩個(gè)較小電感器體積的兩倍。

本實(shí)驗(yàn)的目的是觀察去飽和電感器的效果。這三種電感在飽和曲線方面有不同的特點(diǎn)，目的是使用這三個(gè)不同的電感器測(cè)量功率變換器的紋波電流和開(kāi)關(guān)頻率。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置及結(jié)果

所使用的測(cè)量系統(tǒng)如上圖所示，R&S NGL/NGM直流電源向電路板和EA EL 3080-60B電子負(fù)載提供能量，R&S RTM3004示波器的兩個(gè)電流探頭一個(gè)用于測(cè)量電感電流，一個(gè)測(cè)量負(fù)載電流。使用負(fù)載電流去觸發(fā)示波器來(lái)分析變換器在負(fù)載瞬態(tài)條件下的特性。得到了三條不同的電感器飽和曲線。綠色代表尺寸最大的電感器，紅色和藍(lán)色代表兩個(gè)較小的電感器。

尺寸較大的電感器為18uH，相比于另外兩個(gè)電感器，它的飽和電流更大。兩個(gè)較小的電感器尺寸相同，但飽和度不同。在0.5A至1.5A的負(fù)載電流瞬態(tài)條件下，對(duì)該轉(zhuǎn)換器進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果如下圖所示。

以上是儀器獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB經(jīng)過(guò)處理后得到的結(jié)果。較低電流0.5A和較高電流1.5A之間的差異顯而易見(jiàn)。電流較高時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率越高。通常情況下，與其他電感器相比，非飽和電感器的開(kāi)關(guān)頻率略高，但電感稍小。

當(dāng)以較低負(fù)載電流工作時(shí)，可以明顯看到飽和電感器的開(kāi)關(guān)頻率較小。27uH的最高標(biāo)稱(chēng)電感器的開(kāi)關(guān)頻率更小得多。這證明，負(fù)載瞬態(tài)運(yùn)行在開(kāi)關(guān)效率方面是有效的，可以降低損耗。另一方面，該運(yùn)行沒(méi)有不良結(jié)果，也沒(méi)有出現(xiàn)奇怪的現(xiàn)象。受遲滯控制功能的限制，紋波沒(méi)有增加。所有元件之間的輸出電壓形狀幾乎相同。這證明使用飽和電感器沒(méi)有問(wèn)題。

峰值電流模式控制

峰值電流模式控制穩(wěn)定條件

峰值電流模式控制是最流行的技術(shù)之一，利用電感器電流斜坡來(lái)替換或整合電壓模式下的固定斜坡。

基本波形如上圖左圖所示，這個(gè)例子基本顯示了線性電感器電流紋波從黑色曲線對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)，過(guò)渡到擾動(dòng)狀態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)生的情況。在紅圈所示的某一點(diǎn)上，由于電源內(nèi)部或外部任何變化，調(diào)節(jié)器的運(yùn)行可能被擾動(dòng)，電感電流也會(huì)受到擾動(dòng)。我們希望在經(jīng)過(guò)幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期后，電感電流恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)希望電流回路穩(wěn)定運(yùn)行。保證峰值電流模式控制器穩(wěn)定運(yùn)行的主要公式為

電感電流一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩個(gè)子區(qū)間中的兩個(gè)斜率α和β必須滿(mǎn)足這個(gè)條件，其中是的斜率。當(dāng)電感器是線性電感器時(shí)，可以應(yīng)用上述公式。

當(dāng)電感器是飽和或去飽和電感器時(shí)，如下圖黑色曲線所示，電感電流紋波的波形可能與線性電感器紋波的波形不同。

正常情況下，如果正確選擇飽和電感器工作點(diǎn)，電感的變化很小。但為了證明在峰值電流模式控制中，使用飽和或去飽和電感器沒(méi)有問(wèn)題，考慮進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。

如下圖為一個(gè)飽和電感器（電感變化曲線為黑色曲線），其特點(diǎn)是在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感變化很大。如電流波形（黑色曲線）所示，電感電流的斜率在開(kāi)始時(shí)較低，結(jié)束時(shí)較高。因?yàn)樵陂_(kāi)始時(shí)，對(duì)應(yīng)電感曲線上，在結(jié)束時(shí)，對(duì)應(yīng)電感曲線上。

分析下圖所示飽和電感電流的波形，可以發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定條件與非飽和電感的情況相同。顯然，電流的小于1。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算后，可以證明穩(wěn)定性條件可以用與線性電感器情況相同的方式表示。即只需將兩個(gè)子區(qū)間中電感電流的恒定斜率α和β替換為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中電流峰值的斜率。

最終，得到了如下穩(wěn)定性條件的公式。

當(dāng)使用飽和電感器時(shí)，應(yīng)該用電感器在電流峰值時(shí)的電感值，而不是標(biāo)稱(chēng)電感值。這個(gè)條件可以應(yīng)用于任何類(lèi)型的電感器——微飽和電感器或大部分飽和電感器。

下篇文章，我們將進(jìn)行一個(gè)應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，利用R&S的一系列測(cè)試設(shè)備（示波器、電源、探頭等）搭建一套測(cè)試系統(tǒng)，分別對(duì)負(fù)載和線路的瞬態(tài)應(yīng)力，以及過(guò)流保護(hù)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證選擇飽和電感是否會(huì)讓電路出現(xiàn)任何瞬態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

審核編輯：湯梓紅