關(guān)于開關(guān)電源輸出濾波電感的電磁能平衡問題分析
開關(guān)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(jìn)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(xiàn)[1]一書中,作者在他試制一臺500W半橋式開關(guān)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(xiàn)[1]第161頁)
開始繞了24匝,即N=24,L=58μH。當(dāng)Io=15~30A(平均每只IL=7.5~15A)時,高壓開關(guān)脈沖波形發(fā)生嚴(yán)重的自激抖動,高頻振蕩明顯加劇,強(qiáng)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(dá)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(guān)管中點(diǎn)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(xiàn)[1]第234頁)關(guān)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(guān)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(guān)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(dāng)N=24,Lo=58μH,15A時實(shí)際電感值取60%,L15=58×0.6=35μH。
當(dāng)N=14,Lo=20.6μH,15A時實(shí)際電感值取80%,L15=20.6×0.8=16.5μH。
當(dāng)N=10,Lo=10.6μH,15A時實(shí)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(shí)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(diǎn)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。
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