1引言 
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的供電電源越來越復(fù)雜：供電電源的電壓路數(shù)增多；每一路電壓的穩(wěn)壓精度要求越來越高。一般的開關(guān)穩(wěn)壓電源，只有一個次級輸出電壓是通過初級電壓進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)的，其它的次級輸出電壓都保持開環(huán)狀態(tài)。這些輸出電壓的動態(tài)特性由負(fù)載以及初級輸入電壓所決定。要控制彼此獨立的、不同的各路輸出電壓，就要運用不同的調(diào)節(jié)原理。高頻磁放大器穩(wěn)壓器以其低成本、高效率、高穩(wěn)壓精度而又可靠的解決方案，在多路輸出的穩(wěn)壓電源中得到了廣泛應(yīng)用。
目前的高頻磁放大器穩(wěn)壓器的輸出功率范圍介于20W到1500W，輸出電流范圍介于1A到30A，輸出電壓可低到33V，29V，完全可適應(yīng)現(xiàn)在低工作電壓的半導(dǎo)體器件的需要。
2高頻磁放大器穩(wěn)壓器工作原理 
磁放大器穩(wěn)壓器是通過調(diào)節(jié)主變壓器次級側(cè)的脈沖寬度來達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的。一個典型的正激變換器的二次側(cè)磁放大器穩(wěn)壓器的原理圖如圖1所示。
 

由圖1可見，磁放大器穩(wěn)壓器中的關(guān)鍵部件是控制電感L和復(fù)位控制電路?？刂齐姼惺怯删哂芯匦蜝H回線的磁芯及其上的一個繞組組成。該繞組兼起工作繞組和控制繞組的作用。磁芯的工作點如圖2所示。
由圖2可見，當(dāng)磁芯工作于點①時，磁芯飽和，控制電感的阻抗|Z|接近于0，控制電感器相當(dāng)于短路。當(dāng)磁芯工作于點②時，磁芯處于復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位（Reset）是指磁通到達(dá)飽和后的去磁過程，使磁通或磁密回到原來工作點的數(shù)值，稱為磁通復(fù)位。由于磁放大器穩(wěn)壓器所用磁芯材料的特點（良好的矩形BH回線及高的磁導(dǎo)率）以及開關(guān)電源工作于高頻（100kHz左右），使得此時的控制電感對輸入脈沖呈現(xiàn)高阻抗，相當(dāng)于控制電感開路。實際上，飽和和復(fù)位時控制電感的阻抗可達(dá)到3～4個數(shù)量級的快速變化。圖3示出了當(dāng)磁芯材料為鈷基非晶態(tài)合金時，繞組電感L隨直流控制電流Ide的變動而變化的特性。因此，控制電感相當(dāng)于一只“可控磁開關(guān)”，其輸入脈沖電壓由開關(guān)電源高頻變壓器副邊供給，正半周脈沖前沿時間由初級主開關(guān)導(dǎo)通時間決定，脈沖幅值為u1。正半周期D1，D3截止，D2正偏，能量經(jīng)過控制電感L1傳輸給負(fù)載，負(fù)半周期D2截止，復(fù)位電壓（也是控制電壓）Uc使D1導(dǎo)通，磁芯去磁。

圖4表示了穩(wěn)壓器的工作情況。假定輸出電壓UO1為3V，輸入脈沖幅值u1為10V，占空比為50％，脈沖周期為20μs。設(shè)在t=0時刻以前，由于控制電感L1飽和，u3為＋10V；在t=0時，u1變負(fù)，設(shè) Uc=－6V，前半周期0～10μs內(nèi)，u1一直保持－10V，在這一段時間內(nèi)，控制電感一直處于復(fù)位區(qū)?，其特性可用?的面積SA（伏秒積數(shù)）表示：
SA=4×10=40Vμs
在這一段時間內(nèi)，控制電感L1作為一個高阻抗的電感，阻止電流流過它，保持u2=0，直到t=10μs時。
當(dāng)t=10μs時，u1變?yōu)椋?0V，使控制電感進(jìn)入飽和狀態(tài)區(qū)?。這一時間間隔為4μs，它與＋10V的乘積SB等于SA，即：
SB=10×4=40Vμs
因此有UO1=u1Ton/T=10×(6/20)=3V（DC）
圖1電路的各點波形如圖5所示。
3磁放大控制電感的設(shè)計 
磁放大器穩(wěn)壓器的設(shè)計包括控制電感的設(shè)計和控制電路的設(shè)計，本文只給出控制電流（復(fù)位電流）的設(shè)計計算結(jié)果，控制電路的拓?fù)溥x擇及詳細(xì)的設(shè)計計算，請參閱參考文獻(xiàn)[1][2][3]。
控制電感的設(shè)計是根據(jù)穩(wěn)壓器的外部要求，求出合適的磁芯型號及繞組參數(shù)。
本文的設(shè)計計算以VITROVAC6025Z磁芯為基礎(chǔ)進(jìn)行。
VITROVAC6025Z環(huán)形磁芯采用德國VAC公司為高頻磁放大器穩(wěn)壓器的控制電感研制的專用帶狀非晶共基合金材料，由環(huán)形帶繞制的磁芯加有塑料保持外罩，可在其上直接繞線。
VITROVAC6025Z磁芯的典型磁特性和型號分別如表1和表2所示。

在控制電感的設(shè)計中，一般給定的條件有：
——電路拓?fù)洌簡味苏な交蛲仆焓剑ê霕颉⑷珮蚴剑?br /> ——輸出電壓U1；
——主電路壓降；
——輸出有或沒有短路保護(hù)。
設(shè)計結(jié)果：
——磁芯有效截面積AFe，選定磁芯型號；


——繞組匝數(shù)N；
——銅線直徑dcu；
——纏繞面積Acu。
設(shè)計過程要予以考慮的因素：
——磁放大器控制電路的壓降（即控制電感上的壓降）UReg；
——磁芯損耗（鐵損PFe）；
——銅損耗PCu；
——控制電感的最大死區(qū)。
根據(jù)上面的提示，一般的設(shè)計步驟如下：
1）決定線匝銅線的尺寸由輸出電流的大小決定，一般選電流密度為J≈4A/mm2；
2）計算控制電感的控制電壓UReg。
對于無短路保護(hù)的電路：
UReg=α×Dmax×Umin－UO1(1)
式中：UO1——要求的輸出電壓(V)；
Umin——次級繞組電壓幅值的最小值（V）；
Dmax——初級開關(guān)管占空比的最大值；
α——系數(shù)，對單端正激變換器α=1，對推挽式變換器（含半橋、全橋）α=2。
對于有短路保護(hù)要求的電路，則有：
UReg=α×Dmax×Umin(2)
（請讀者注意，磁放大器穩(wěn)壓器不適用于反激式變換器）。
3）根據(jù)經(jīng)驗，從表2中選一種磁芯型號，查找AFe等參數(shù)磁芯的選擇一般從小到大，直到所要求的匝數(shù)很容易纏滿磁芯一層為止。
4）計算所需的匝數(shù)N

式中：f——次級輸出方波的頻率（kHz）；
yes">     Δ B——雙極磁通密度，取0.8T；
K——雙極磁通密度ΔB的校正因子，用于限制由于磁芯損耗引起的溫升。
圖6示出了VITROVAC6025Z中相關(guān)型號校正因子K的相關(guān)曲線。
5）磁芯及銅損耗計算
磁芯損耗PFe（近似值）

式中：Rth——對流的空芯繞組的熱阻（K/W）；mFe——磁芯質(zhì)量（kg）。
銅損耗PCu（近似值，未考慮趨膚及鄰近效應(yīng)）

式中：LFe——磁芯的平均磁路長度（cm）； 
Hs——復(fù)位場強（mA/cm）。

7）Umin及N的精確調(diào)整
 在式（1）、式（2）中，Umin是作為已知參數(shù)給出的。實際設(shè)計中，主變壓器和控制電感要同時設(shè)計，這時可將兩者結(jié)合進(jìn)行，這就要用到下面的遞歸過程，同時得到Umin及控制電感的最佳參數(shù)。
遞歸時采用的電路拓?fù)鋮?shù)如圖7所示。
 遞歸流程圖如圖8所示。
4設(shè)計實例
給定條件單向正激變換器，次級繞組輸出電壓幅值Umin=12V，開關(guān)頻率f=150kHz，初級占空比Dmax=0.5，輸出電流I1=10A，UO1=3.3V。

在下面的計算中，采用SI單位制，為了計算方便，將其中的基本單位m改為cm。

1）所要求的每條線的截面積計算S（J取4A/mm2）
——無短路保護(hù)S=10/4=2.5mm2；
——有短路保護(hù)S=10/4=2.5mm2。
2）磁放大器控制電感電壓計算
——無短路保護(hù)UReg=α×Dmax×Umin－UO1=1×0.5×12－3.3=2.7V；
——有短路保護(hù)UReg=α×Dmax×Umin=1×0.5×12=6V。
3）繞組匝數(shù)計算

①第一次計算
——無短路保護(hù)選用磁芯T60006E4008W462d1×d2×h1=8mm×4.6mm×4mm
AFe=0.054cm2
LFe=1.98cm
K=1
最小匝數(shù)

根據(jù)表2，所適用的銅線纏繞面積Acu約為2mm2，因此不可能纏繞面積25mm2的銅線5匝。
——有短路保護(hù)選用磁芯T60006E4012W535d1×d2×h1=12.5mm×10mm×5mm
AFe=0.05cm2
LFe=3.53cm
K=1
最小匝數(shù)

根據(jù)表2，所適用的銅線纏繞面積Acu約為14mm2，因此不可能纏繞面積2.5mm2的銅線10匝。
②第二次計算
——無短路保護(hù)選用磁芯T60006E4012W535d1×d2×h1=12.5mm×10mm×5mm
AFe=0.05cm2
LFe=3.53cm
K=1
最小匝數(shù)
根據(jù)表2，所適用的銅線纏繞面積Acu約為14mm2，可以使用此磁芯開始進(jìn)行調(diào)試。
——有短路保護(hù)選用磁芯T60006E4017W537d1×d2×h1=17.5mm×12.5mm×6mm
AFe=0.12cm2
LFe=4.71cm
K=0.6
最小匝數(shù)
 根據(jù)表2，所適用的銅線纏繞面積Acu約為23.1mm2，可以使用此磁芯開始進(jìn)行調(diào)試。
4）所需控制電流計算


5結(jié)語
 高頻磁放大器穩(wěn)壓器中，采用飽和電感作為調(diào)控元件，由于它的非線性特性，再加上主變壓器次級繞組，兩個磁性元件互相牽制，使穩(wěn)壓器的設(shè)計增加了難度。工程實際中，設(shè)計出的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過實際電路的調(diào)試，下面的經(jīng)驗對設(shè)計者會有幫助。
如果UO1開路或短路狀態(tài)時，磁放大器控制電感太熱，那么過熱的原因是鐵磁損耗，解決的辦法是加大磁芯截面積AFe或增加匝數(shù)N。
如果在UO1滿載工作時，磁放大器控制電感過熱，那么過熱的原因是銅損太高。解決的辦法是增加銅線直徑或選用更大纏繞面積和Acu的磁芯。
主變壓器次級電壓過高會引起過高的滿載工作損耗。這時最好采用圖8的遞歸過程對主變壓器及控制電感進(jìn)行優(yōu)化。