磁放大器及尖峰抑制铁芯在开关电源线路中的应用.pdf

第十四届全国电源技术 茸会论文集 磁放大器及尖峰抑制铁芯在开关 电源线路中的应用 姚中度维扬赵海燕上 海钢 铁研究所 ( 2 0 0 9 4 0 ) 摘 要: 本文综述了 磁放大器和尖峰抑制器的工作原理及其在开关电抓中的重要作用， 认为它们是徽型化开关电源不 可缺少的 器件同时指出这两种器件对磁性能的要求基本一致，只是在电路中的作用不同而已最后还指出可以用价 格 较 低 的 超 傲 梦 叔词: 呵粤和 Fa 代替国外用的0 o 基非晶磁放大器铁芯也能得到较好的效果 放大器尖蜂抑制器共模扼流口差模扼流圈超徽晶 1 引言 随若电子计算机、通讯、 办公及其各种系统控制的迅速发 展， 开关电源的需求f正日 益增长日 本曾提出除非有必要采 用一次电想的 场合外都要求采用开关电源， 使之日 本成为开关 电源的需求大国美国开关电源需求t正以每年百分之十几的 比 例持续增长， 据F o o l 和S a u II v a n 公司的资料显 示9 9 年全 球开 关电源市场从9 2 年的9 4 亿美元猛增至 1 6 6 亿美元 平均年增 长率为1 0 % 我国是潜在的开关电源需求大国，每年生产t已 超过5 0 1) 万台。

目 前开关电像正向小尺寸、 轻重量、高可靠性 及其低嗓音方向 发展， 为了减少开关电源的尺寸， 开关频率从 2 0 K H z 提高到5 0 0 K H z , 甚至1 M H z ， 对同样功率的开关电源工作 颇率由1 0 0 K H z 提高到5 0 0 K H Y ， 其体积和重.分别为 1 0 0 K H a 的 1 1 2 和2 1 3 倍由于孩率的 提高，随之而来的嵘音加重，为了 解 决这个矛盾除了采用低压大电流的分布式结构外， 在开关电薄 线路中进行改进， 添加简单的磁放大器来代替较为复杂的控制 系统 用徽小的尖峰抑制器来抑制线路的自 生干扰， 用共模及 差模抗干扰磁芯来抑制线路干扰， 使开关电抓具有杭自 身千扰 又能阻止外来干扰信号的能力 但是有些开关电旅厂家为了降 低成本参与市场竞争 往往省去必要的器件， 使开关电派的性 能大大降低， 成为劣质产品充斥市场，造成开关电源市场的混 乱， 甚至影响了优质设备的质t为此许多整机设备厂家为了 自 身的名誉， 只得生产高质t的开关电碑以保证自己 设备的质 量和信誉 2 磁性器件在开关电源中的应用 实际上一台较为理想的开关电源除了在电路上精心设计 外， 还利用磁性器件的特性来降低嗓音或控制电压粗定艳出。

磁性器件的结构简单可靠， 抗恶劣环境强，而且体积小等优点 倍受人们的重视一般开关电源中的磁性器件应用如图 t o 共搜拢干扰翻演口 图 1 开关电薄线路示惫图 除了高频低损耗高磁导率的主变压器以外， 前级加抑制传 导干扰的差模和共棋抗干扰扼橄圈，差棋抗干扰扼流圈主要是 解决相线与地线间的干扰信号 它是申联在主回路上， 通过电 流大， 除要求磁性材料具有低的高频损耗外还要具有高磁感应 强度宽恒导磁性 最好选择低徽导率的磁粉芯， 根据工作狈率 范围来选择磁粉芯的材质，如具有高饱和磁感应强度的纯 F e 粉芯、 铁硅铝粉芯等以前都是采用开口铁载体或硅钥但由 于切口 处的局部发热而导致磁性能的衰减和自 身的嗓音都影响 其抗干扰能力，目 前国外大都不采用开口铁芯作差模扼流圈 接在差 模扼流侧后的是共棋扼流圈 它是用来消除相线间的干 扰信号， 虽然是申路中， 但其线圈是完全对称绕制， 所以 磁通在铁芯里抵消一旦某一相线有千扰信号则被另一线圈的 感应信号所抵消， 所以它要选用高磁导率、 低损耗材料，如初 始磁导率为1 万的M n - 7 n铁载体， 但国内有很少厂家能批t 生产也可以用初始徽导率高达 1 0 万的c o 墓非晶和超徽晶。

其中C o 基非晶不管是初始磁导率还是损耗都是最佳的. 但是 其价格昂贵限制了它的应用市场相对说来. 超橄晶不但初始 磁导率与C o 羞相当， 而且摄耗比C o基非晶略高， 又不含贵重 金属C D ，所以价格相对适中接在主变压器后面的磁性器件是 磁放大器或称为可饱和磁放大器及其尖峰信号抑制器， 磁放大 器的采用对开关电茸带来许多好处， 它在次级的一侧输出是独 立的， 能够精确控制艳出以保持较离的效率，又由于盛放大器 与翰出二极管是申联的可减少二极管恢复电流的突变因此它 对减少嗓音愉出是有益的 最主要是用破放大器来控制蜂值电 ·5 6 3 . 磁放大器及尖峰抑制铁芯在开关电源线路中的应用 压和电流， 这样既保护整流器又增强抗负载变化能力， 从而改 善输出可靠性而尖峰抑制器是与二极管串联的插人电路中， 主要用来消除二极管反向 恢复过程中的电流的急剧变化而导致 噪声电源最后是 平滑输出 扼流圈， 它与电容构成回路砍去输 出直流成分中的纹波信号，现在一般都选用铁粉芯总之，开 关电源利用这些磁性器件达到降低嗓声稳定输出的作用， 提高 开关电源的档次 3 饱和磁放大器和尖峰抑制器在电路中工作原 理及对磁性的要求 为了选择适当的磁性材料橄可饱和磁放大器及尖峰抑制器 铁芯材料， 必须对它们在电路中的工作原理有所了解。

因为磁 放大器和尖峰抑制器的铁芯材料的磁性要求大体番同，只不过 在电路中应用场合不同，在磁性能的选择上有所偏重，所以这 里只对磁放大器在电 路中的工作原理作简单描述 实际上磁放大器的作用是利用磁性材料的开关特性即它一 经磁化， 开关就断开电流受阻就不能翰出，一旦磁芯达到饱和 相当于开关接通，电流不受阻开始输出而 这一开关特性受到 轴出回路反馈弱信号的控制即利用磁芯的开关功能通过徽弱 信号来实现电压脉冲脉宽控制以达到物出平均电压的租定至 于磁放大器原理许多文献都作了详细介绍， 这里就不多述了 图2 简单描述了它在开关电像中对电压调节所起的 作用 压. 说明这一点， 见图3 电压上升时磁芯被磁化从 M点通过N点 很快的磁化到饱和点B s .要求磁芯在H , 附近的Y n 越小越好， 即一旦磁化就被饱和了， 这时电流通过当晶体管断路时磁放 大 器中 磁化电流从回 线B , 回到尽其磁通的变化为△ 凡二B , - B , ( A e 二 0 . - 0 , ) 表现在图2 中U . 变化区为A t e ， 这是磁性材 料的回线矩形度 a 没有达到理想a 二1 所造成的理想的矩形 回 线 = 1 ，当然At, = 0 就没有 “ 死区”或无不可控区，当电 路的输出电压太高时反馈的电流增大， 改变A点在回线上的位 里，即A 点向下方移动使工作范圈A B增加， 从公式 ( 1 )可 以看出， 延迟了电流波形前沿上升时间△ ‘ : 山二 Nx A F, x A B . I U = Nx A OI U ( 1 ) ( 见图2 1 曲线)使电流的脉冲宽度减少从而导致检波后认 的电压脉冲变窄艘后使抽出平均电压 恢复原来的数值， 而达到 稼定物出的作用，由 此可见.。

仔△ B- 材料A t 调节范围大在 较小的反扩电流作用下有最大的O B这就是说要求铁芯的 徽渝 回 线最好是理想的长方形 ( 见图4 一 a 回线) 同时要求交流动 态娇顽力很低， 就是在很小的反饮电流的激磁下也能获得最大 的△ B . -如果是斜长方形回线 ( 见图4 一 b 回线)要达到同样 的△ 凡必然要增大反该电流， 这样就增加磁放大器铁芯本身的 报耗，而减低开关电抹的效率 、. 一△尹一一 .△- 图2 磁放大器对电压调节作用图示 图3 徽芯材料的磁滞回 线 其中:U是表示变压器的轴出电压，U为磁放大器上的 电 压，I 为回 路电流U , 为物人平滑滤波器的整流电压 从电路中各部分电流电压变化不难看出，从 U l 较高的平 均电压变成U , 秘定电压的关健是受到磁放大器的调节， 这种 调节作用主 要取决于磁芯的特性， 这里结合磁芯的磁布回线来 ·5 6 4 . a 长方形磁浦回 线， b 科方长形磁滞回线 图4 铁芯材料的 磁滞回线 有人常常用下式表示输出平均电压: U( )二 ‘ 一 2 V ,6 0( 一 1 )( 2 ) 万〔 动 与前一个 控制半周 ( 一 1 )磁通变化14 0 ( rs - 1 )的 关系。

其中E 为电 源平均值， N为 控制绕阻的 匝数， t 为 工 作顺率 可见工 作半周的轴出 电压的平均值万( 几 )是由 前 ( rs 一 I ) 控侧半周的磁通变化R A O ( n 一 1 )决定 改变磁通变 化量的大小来控制平均电压输出，又因为， o / ( rs 一1 )二 A 6 B ( 2 )式可变为: 万( 一 I )二 A 4 B . 二 ‘ 一 2 f N A A B ( 一 1 ) ( 3 ) 如 前所 述， O B ( 一 1 ) 大小取决于磁放大璐反 馈电流大 小，只有具有长方形的回线才能在小的反懊电流获得最大的 A B， 可见是最 佳的 磁放大器材料 另一方面对磁放大器而言耍求B , 高些好，它有利于减少铁 芯的体积，因为磁放大器体积可表示为V 二 P . 1 4 , f d A B H , ， 从 式中可见对一定物出 功率的斑放大器而言，高& B的材料比 低 第十四届全国电源技术年会论文集 a s的 铁芯体积小，同时输出功率也比 较大，当然高刀 . 的材料 A B也相应比较高开关电源都在高频率下工作， 而且大都工 作在饱和区范围 所以 要求铁芯材料有极低的损耗， 但往往s , 高的材料高频损耗比 低B . 的高得多， 所以在选择材料时要特别 注意这一点。

开 关电源中的尖峰抑制器主要是抑制晶体管在开关动作过 程中产生的嗓声这种开关噪声是晶体管中载流子积聚引起 的， 是产生开关电源自 身E M 工 的主 要因素， 从最简单的二极管 来看， 如图4 所示在反向 恢复过程中电流急剧变化正是产生开 关噪声的原因，以前都是采用电阻电容与二极管并联构成C H 缓冲 器来吸收二极管产生的嗓声， 使线路损耗增加， 仍会出现 前沿和后沿的衰减增益目 前国外大都采用磁开关的尖峰抑制 器与二极管申 联 ( 见图I ) , 施行软恢复对降低二极管开关嗓声 极有效果 ( 见图5 ) 其实尖峰抑制器只不过是一翅小型的可饱 和磁放大器， 仅是在电流上升的瞬间起高阻抗的作用，而在正 常时只是一损耗极小的非线性电 感 3 l 广6 40 1fv 、 卜 、 ， ” 犷“ ， ， 、 _ 1 ( A ) 图6 C o 基非晶与I,“, r r铁氧休回线比 较 4 磁性材料的选择 从以上分析不难看出， 不管是磁放大器还是尖蜂抑侧器材 料它们都要求有极低的高频损耗和高方形度的长方形回线的破 性材料， 不同之处只不过尖峰抑制器对材料的△ s _ 没有磁放大 器那样重要在选择材料时考虑这一点就可以了， 作为开关电 源用的磁放大器类的材料。

由于工作频率高所以低频使用的磁 放大器材料如1 1 3 4 . I 1 5 l , I T 7 9 , 1 1 8 6 在这里都无法使用， 在如 此高的频率下， 坡莫合金系列由于电阻率太低导致涡流损耗太 大， 造成温升高， 本身耗能大而降低了电像的效率， 采用超薄 带和极薄带则成本太高， 铁权体材料虽有很高的电阻率，但其 过低居里点也低， 不适合橄磁放大器材料， 非晶合金和超徽晶 的出现大大丰富了 软磁材料， 人们在非晶和超徽晶中寻找具有 开关特性的磁放大器材料， 如具有适中的饱和磁感应强度 极 低高频损耗的C .基非晶和超徽晶尤为人们所注目，国内外研 究工作者橄了大f的工作， 形成了各自适合于磁放大器的材 料，其牌号如下: 图5 二极管电压恢复曲线 班1 .内外成故大.用的C o ‘非. 合全牌号及性雌 B , ( T )乳 ( ℃)1 d压 P ( W I 叼 德国V i trov a c 一 6 0 2 5 Z 0 . 5 8 2 4 0 0。