??? 摘? 要: 介紹了采用常見磁芯經專門設計構造的正交耦合變壓器,方便地實現了調μ(等效磁導率)調頻,并把這種變壓器應用到有固定死區的恒功率輸出DC-DC變換器中,實現了變頻穩壓。?

????關鍵詞: 正交變壓器? 等效磁導率? 調頻調壓

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??? 文獻[1]給出了采用正交變壓器進行調頻穩壓的開關電源實例,其電路簡單、調頻范圍大、穩壓特性好,但述及的正交變壓器結構復雜,并且需用專門的鐵氧體磁芯,故實現較難。?

??? 本文介紹一種采用普通的罐形鐵氧體磁芯經特殊設計實現的正交耦合變壓器。把它應用到自激開關電源電路中,可取得令人滿意的結果。?

1 罐形鐵氧體磁芯正交耦合的實現方法及其物理解釋?

1.1 實現方法?

??? 使用罐狀鐵氧體磁芯實現正交耦合的方法見圖1。在骨架內繞有控制繞組N_C,磁罐對合后,在固定孔中穿繞工作繞組N₁₁、N₁₂、N₁₃,將上述繞組分別稱為內置繞組和外置繞組。其中,各外置繞組N₁₁、N₁₂、N₁₃間可視為全耦合,耦合系數R≈1;而內置的控制繞組N_C與各外置工作繞組N₁₁、N₁₂、N₁₃間因磁力線正交可視為弱耦合,磁力線關系見圖1(c),耦合系數R≈0。這樣N_c與N₁各繞組就實現了正交耦合,這種物理構成即為正交變壓器。?

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1.2 調等效磁導率使頻率變化的物理解釋?

??? 設某外置繞組在構成電路時驅動點電感為L_i,此電感值與繞組匝數N_i及磁芯磁導率μ成正比,即L_i∝μN_c;若施直流電流I_c于N_c時,產生穩定磁場B_c,則B_c與N_c和I_c成正比,即B_c∝N_cI_c。?

??? 通常情況下,鐵氧體材料的磁滯回線均非常窄小狹長,工作時極易飽和。而在飽和情況下,變壓器接近于空心變壓器,各繞組電感均取得最小值。在飽和前的線性區域內,I_c改變時,B_c也隨之改變。當B_c逐漸增大時,從各N_i看入的磁介質等效磁導率逐漸變小。當B_c使磁芯達到飽和時,等效磁導率達到最小值,此時該變壓器接近于空心變壓器。在這個調節過程中,若使I_c連續增加,則等效磁芯磁導率也連續變小,這樣N₁的電感量也連續變小,進而使由L_i構成的振蕩電路的頻率連續升高。反之,其調節過程就與如上過程相反。?

??? 按文獻[3]中所述的分子電流觀點,當I_c增大,使等效磁芯磁導率下降可作如下解釋:磁芯是可飽和的,存在有最大飽和磁通密度B_m。這就是說磁化是有限度的,即對于指定磁芯這種磁介質而言,束縛分子電流為有限值,I_c的作用使從外置繞組N₁看入的可用于磁化的束縛分子電流減少了。且I_c越大,B_c越大,束縛分子電流減少得越多。當B_c=B_m時,磁芯飽和,束縛分子電流均有一致的取向,且與N₁可作用的方向垂直。此時由N₁看入的等效磁導率約為零,則N₁可視為空心線圈,取得最小電感值;當I_c=0、使B_c=0時,磁芯處于常態,與通常條件下的特性完全一樣。?

2 正交變壓器的應用實例?

??? 上述物理構成已在某些開關電源中有所應用,具體見文獻[1]。這里給出一種把上述正交變壓器運用到自激式半橋DC-DC變換器中的應用實例。?

2.1 電路組成與描述?

??? 半橋諧振式自激開關電源電路見圖2,原電路屬于開關型高頻降壓變換電路,其中B₁為小磁環繞制的推動變壓器。這個電路屬于半波半橋自激式恒功率輸出的開關電源,設有固定的死區時間,開關管工作十分可靠,電路簡單。恰當地設置其中的元件參數還可使其工作于諧振狀態,因此它的工作效率很高(小功率輸出實驗中,有時效率高達90%以上)。缺點是它只適合于工作在高頻恒功率輸出狀態,無直流穩壓輸出功能,且只能接阻性負載。?

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??? 為使圖2電路具有直流輸出穩壓功能,可使用前面介紹的正交變壓器,具體做法是:用罐形鐵氧體構造的正交變壓器取代原圖中的B₁(其中N_c為控制繞組),電路的輸出側設有整流濾波電路。注意到N_c相對于其余繞組為正交分布,為其提供電流的電路是專設的電壓—電流變換器,該變換器的輸入取自于電路直流輸出。這樣整個電路即具備了直流輸出穩壓的功能,它的穩壓原理是:當輸出電壓升高時,電壓—電流變換器的輸出I_C增加,通過控制繞組N_c的作用使正交變壓器的等效磁導率μ下降,這樣就使電源的工作頻率升高,在死區時間固定的條件下即會使輸出電壓回落;反之亦反。這就是利用正交變壓器進行調I_C調μ、調μ調頻、調頻調壓進而實現穩壓的工作原理。?

2.2 實驗數據及結果?

??? 這里使用的測試工具主要有:日產示波器(100MHz, 型號為COR550U),中國哈爾濱電表儀器廠生產的電流表(0.5級,可測試范圍為0～20A),電壓用數字萬用表(DT9903)。?

??? 下面的測試結果中,輸入量(U_I、I_I)的測試點為圖2中的A、B兩點,U_I表示A、B兩點間的電壓,I_I表示切斷A點后串接電流表的讀數;輸出量(U_O、I_O)則是在直流輸出端加接阻性負載后測得。?

2.2.1 輸入電壓調整率?

??? 保持負載恒定,切斷圖2中U/I變換器輸出的C點,使I_c=0。由實驗測試結果可知:該電路可在很寬的輸入電壓范圍內正常工作,且隨著輸入電壓升高,工作頻率下降,輸出電壓升高。其變化規律如圖3所示。?

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2.2.2 控制電流的作用?

??? 保持負載恒定,使輸入電壓U_I=280V,逐漸增大控制電流,結果表明:工作頻率隨I_c增大而升高,輸出電壓U_O隨I_c增大而下降。具體結果見圖4。?

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2.2.3 效率測試結果?

??? 通過實驗,對電源效率進行實際測試,具體結果見圖5(其中,R_L1>R_L2>R_L3)。這里的效率測試是針對輸入和輸出的直流量進行的,即輸入直流量是在輸入整流濾波之后、輸出直流量是在含有肖特基整流濾波之后進行的測量。?

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2.2.4 關鍵點波形?

??? 實測開關管電壓與電流以及隔離變壓器輸出端的電壓波形見圖6,其中i_E、u_CE為圖2中開關管T₂的波形(測試條件:U_I=280V,U_O=11.1V,I_O=6.52A;此時,I_C=20mA,f=32.8kHz,I_I=290mA)。?

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??? 從以上的實驗結果及實驗可以看出,使用罐形鐵氧體磁芯實現的正交變壓器,體積小巧,性能優異穩定,工作可靠。把它用于有死區時間的小型開關電源中,可方便地實現穩壓,同時也使電路非常簡單;籍此設計的小功率直流開關穩壓電源,其可靠性與功率密度等指標得到了很大提高。?

參考文獻?

1 何希才.新型開關電源設計與維護. 北京:國防工業出版社, 2001?

2 葉慧貞,楊興洲.新穎開關穩壓電源. 北京:國防工業出版社,1999?

3 趙凱華,陳熙謀.電磁學.北京:人民教育出版社,1978