磁放大器稳压器中控制电感的设计

磁放大器稳压器中控制电感的设计 

摘要：介绍了磁放大器稳压器的工作原理，推导了其中控制电感的设计方法，并给出了一个设计实例。
关键词：磁放大器稳压器；控制电感；复位

1引言 
随着电子技术的发展，电子产品和系统的供电电源越来越复杂：供电电源的电压路数增多；每一路电压的稳压精度要求越来越高。一般的开关稳压电源，只有一个次级输出电压是通过初级电压进行闭环调节的，其它的次级输出电压都保持开环状态。这些输出电压的动态特性由负载以及初级输入电压所决定。要控制彼此独立的、不同的各路输出电压，就要运用不同的调节原理。高频磁放大器稳压器以其低成本、高效率、高稳压精度而又可靠的解决方案，在多路输出的稳压电源中得到了广泛应用。
目前的高频磁放大器稳压器的输出功率范围介于20W到1500W，输出电流范围介于1A到30A，输出电压可低到3?3V，2?9V，完全可适应现在低工作电压的半导体器件的需要。
2高频磁放大器稳压器工作原理 
磁放大器稳压器是通过调节主变压器次级侧的脉冲宽度来达到输出稳压的目的。一个典型的正激变换器的二次侧磁放大器稳压器的原理图如图1所示。

在控制电感的设计中，一般给定的条件有：
——电路拓扑：单端正激式或推挽式（含半桥、全桥式）；
——输出电压U1；
——主电路压降；
——输出有或没有短路保护。
设计结果：
——磁芯有效截面积AFe，选定磁芯型号；


——绕组匝数N；
——铜线直径dcu；
——缠绕面积Acu。
设计过程要予以考虑的因素：
——磁放大器控制电路的压降（即控制电感上的压降）UReg；
——磁芯损耗（铁损PFe）；
——铜损耗PCu；
——控制电感的最大死区。
根据上面的提示，一般的设计步骤如下：
1）决定线匝铜线的尺寸由输出电流的大小决定，一般选电流密度为J≈4A/mm2；
2）计算控制电感的控制电压UReg。
对于无短路保护的电路：
UReg=α×Dmax×Umin－UO1(1)
式中：UO1——要求的输出电压(V)；
Umin——次级绕组电压幅值的最小值（V）；
Dmax——初级开关管占空比的最大值；
α——系数，对单端正激变换器α=1，对推挽式变换器（含半桥、全桥）α=2。
对于有短路保护要求的电路，则有：
UReg=α×Dmax×Umin(2)
（请读者注意，磁放大器稳压器不适用于反激式变换器）。
3）根据经验，从表2中选一种磁芯型号，查找AFe等参数磁芯的选择一般从小到大，直到所要求的匝数很容易缠满磁芯一层为止。
4）计算所需的匝数N

式中：f——次级输出方波的频率（kHz）；
yes">     Δ B——双极磁通密度，取0.8T；
K——双极磁通密度ΔB的校正因子，用于限制由于磁芯损耗引起的温升。
图6示出了VITROVAC6025Z中相关型号校正因子K的相关曲线。
5）磁芯及铜损耗计算
磁芯损耗PFe（近似值）

式中：Rth——对流的空芯绕组的热阻（K/W）；mFe——磁芯质量（kg）。
铜损耗PCu（近似值，未考虑趋肤及邻近效应） 

式中：LFe——磁芯的平均磁路长度（cm）； 
Hs——复位场强（mA/cm）。

在下面的计算中，采用SI单位制，为了计算方便，将其中的基本单位m改为cm。

1）所要求的每条线的截面积计算S（J取4A/mm2）
——无短路保护S=10/4=2.5mm2；
——有短路保护S=10/4=2.5mm2。
2）磁放大器控制电感电压计算
——无短路保护UReg=α×Dmax×Umin－UO1=1×0.5×12－3.3=2.7V；
——有短路保护UReg=α×Dmax×Umin=1×0.5×12=6V。
3）绕组匝数计算

①第一次计算
——无短路保护选用磁芯T60006?E4008?W462d1×d2×h1=8mm×4.6mm×4mm
AFe=0.054cm2
LFe=1.98cm
K=1
最小匝数

根据表2，所适用的铜线缠绕面积Acu约为2mm2，因此不可能缠绕面积2?5mm2的铜线5匝。
——有短路保护选用磁芯T60006?E4012?W535d1×d2×h1=12.5mm×10mm×5mm
AFe=0.05cm2
LFe=3.53cm
K=1
最小匝数
 

[1]路秋生.高频磁放大器稳压电源设计[J].电源世界,1998.11:21～34.
[2]蔡宣三.开关电源中的磁放大器式输出电压调节器[J].电源世界,2001.3:1～6.
[3]BobMammano.MagneticAmplifierControlforSimple,Low?cost,SecondaryRegulation,UnitrodeSEM500
[4]CoresandComponents.Databook2000,VAC.