??? 摘? 要: 介紹了采用常見磁芯經(jīng)專門設(shè)計構(gòu)造的正交耦合變壓器,方便地實現(xiàn)了調(diào)μ(等效磁導(dǎo)率)調(diào)頻,并把這種變壓器應(yīng)用到有固定死區(qū)的恒功率輸出DC-DC變換器中,實現(xiàn)了變頻穩(wěn)壓。?

????關(guān)鍵詞: 正交變壓器? 等效磁導(dǎo)率? 調(diào)頻調(diào)壓

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??? 文獻[1]給出了采用正交變壓器進行調(diào)頻穩(wěn)壓的開關(guān)電源實例,其電路簡單、調(diào)頻范圍大、穩(wěn)壓特性好,但述及的正交變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且需用專門的鐵氧體磁芯,故實現(xiàn)較難。?

??? 本文介紹一種采用普通的罐形鐵氧體磁芯經(jīng)特殊設(shè)計實現(xiàn)的正交耦合變壓器。把它應(yīng)用到自激開關(guān)電源電路中,可取得令人滿意的結(jié)果。?

1 罐形鐵氧體磁芯正交耦合的實現(xiàn)方法及其物理解釋?

1.1 實現(xiàn)方法?

??? 使用罐狀鐵氧體磁芯實現(xiàn)正交耦合的方法見圖1。在骨架內(nèi)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(nèi)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(shù)R≈1;而內(nèi)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(guān)系見圖1(c),耦合系數(shù)R≈0。這樣N_c與N₁各繞組就實現(xiàn)了正交耦合,這種物理構(gòu)成即為正交變壓器。?

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1.2 調(diào)等效磁導(dǎo)率使頻率變化的物理解釋?

??? 設(shè)某外置繞組在構(gòu)成電路時驅(qū)動點電感為L_i,此電感值與繞組匝數(shù)N_i及磁芯磁導(dǎo)率μ成正比,即L_i∝μN_c;若施直流電流I_c于N_c時,產(chǎn)生穩(wěn)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(qū)域內(nèi),I_c改變時,B_c也隨之改變。當(dāng)B_c逐漸增大時,從各N_i看入的磁介質(zhì)等效磁導(dǎo)率逐漸變小。當(dāng)B_c使磁芯達到飽和時,等效磁導(dǎo)率達到最小值,此時該變壓器接近于空心變壓器。在這個調(diào)節(jié)過程中,若使I_c連續(xù)增加,則等效磁芯磁導(dǎo)率也連續(xù)變小,這樣N₁的電感量也連續(xù)變小,進而使由L_i構(gòu)成的振蕩電路的頻率連續(xù)升高。反之,其調(diào)節(jié)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(dāng)I_c增大,使等效磁芯磁導(dǎo)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(zhì)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(dāng)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(dǎo)率約為零,則N₁可視為空心線圈,取得最小電感值;當(dāng)I_c=0、使B_c=0時,磁芯處于常態(tài),與通常條件下的特性完全一樣。?

2 正交變壓器的應(yīng)用實例?

??? 上述物理構(gòu)成已在某些開關(guān)電源中有所應(yīng)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(yīng)用實例。?

2.1 電路組成與描述?

??? 半橋諧振式自激開關(guān)電源電路見圖2,原電路屬于開關(guān)型高頻降壓變換電路,其中B₁為小磁環(huán)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(guān)電源,設(shè)有固定的死區(qū)時間,開關(guān)管工作十分可靠,電路簡單。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置其中的元件參數(shù)還可使其工作于諧振狀態(tài),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(tài),無直流穩(wěn)壓輸出功能,且只能接阻性負(fù)載。?

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??? 為使圖2電路具有直流輸出穩(wěn)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(gòu)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(cè)設(shè)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(shè)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(wěn)壓的功能,它的穩(wěn)壓原理是:當(dāng)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(dǎo)率μ下降,這樣就使電源的工作頻率升高,在死區(qū)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(diào)I_C調(diào)μ、調(diào)μ調(diào)頻、調(diào)頻調(diào)壓進而實現(xiàn)穩(wěn)壓的工作原理。?

2.2 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果?

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

??? 下面的測試結(jié)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(shù);輸出量(U_O、I_O)則是在直流輸出端加接阻性負(fù)載后測得。?

2.2.1 輸入電壓調(diào)整率?

??? 保持負(fù)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(jié)果可知:該電路可在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)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(guī)律如圖3所示。?

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2.2.2 控制電流的作用?

??? 保持負(fù)載恒定,使輸入電壓U_I=280V,逐漸增大控制電流,結(jié)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(jié)果見圖4。?

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2.2.3 效率測試結(jié)果?

??? 通過實驗,對電源效率進行實際測試,具體結(jié)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(guān)鍵點波形?

??? 實測開關(guān)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(guān)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(jié)果及實驗可以看出,使用罐形鐵氧體磁芯實現(xiàn)的正交變壓器,體積小巧,性能優(yōu)異穩(wěn)定,工作可靠。把它用于有死區(qū)時間的小型開關(guān)電源中,可方便地實現(xiàn)穩(wěn)壓,同時也使電路非常簡單;籍此設(shè)計的小功率直流開關(guān)穩(wěn)壓電源,其可靠性與功率密度等指標(biāo)得到了很大提高。?

參考文獻?

1 何希才.新型開關(guān)電源設(shè)計與維護. 北京:國防工業(yè)出版社, 2001?

2 葉慧貞,楊興洲.新穎開關(guān)穩(wěn)壓電源. 北京:國防工業(yè)出版社,1999?

3 趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué).北京:人民教育出版社,1978