設(shè)計(jì)定制電感

電感值決定轉(zhuǎn)換器中的紋波電流。圖3示出了具有兩個(gè)不同紋波值的偽l-真，一個(gè)是負(fù)載電流的20%，另一個(gè)是負(fù)載電流的80%。有了現(xiàn)關(guān)設(shè)備和高質(zhì)量的輸出電容，任何設(shè)計(jì)都可以很好地工作。紋波為80%的小電感具有更好的磁效率，但峰值電流會(huì)更高，輸出電壓紋波會(huì)更大。整體性能的真實(shí)數(shù)字可以像[3]中一樣快速地進(jìn)行模擬，并通過測(cè)量每種情況下的實(shí)際硬件進(jìn)行驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器時(shí)，我們可以輕松更換磁性元件，以便快速評(píng)估各種設(shè)計(jì)。選擇正確的電感值是一個(gè)迭代過程。在鐵芯和繞組設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)每個(gè)值之前，選擇的全部意義并不明顯，因此在評(píng)估磁迭代之前，不要確定電感的值。

要設(shè)計(jì)的電感器的基本元件如圖4所示。我們需要選擇磁芯面積、匝數(shù)、磁芯材料和間隙來設(shè)計(jì)電感。我們采取的步是選擇磁芯區(qū)域。每種設(shè)計(jì)都可以提供非常寬的磁芯區(qū)域。我們鼓勵(lì)初級(jí)設(shè)計(jì)師嘗試不同的評(píng)估，以快速獲得經(jīng)驗(yàn)并建立知識(shí)庫。圖5顯示了選擇范圍。低端受到間隙大小(您不希望它太大)和電感熱性能的限制。如果冷卻效果好并且設(shè)計(jì)空間非常緊湊，您將選擇范圍底部的核心面積值。

醉的大面積是醉的小面積的25倍。超過這個(gè)尺寸，磁芯中的間隙變得太小而無法控制，并且浪費(fèi)了磁芯面積。隨著尺寸越來越大，部件的溫度將降低。大多數(shù)磁學(xué)手冊(cè)、教科書和手冊(cè)試圖將可用磁芯面積的范圍縮小到給定能量存儲(chǔ)的單一值。這是人為的限制，因?yàn)樵谶@些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中沒有冷卻輸入。Zui愿意嘗試現(xiàn)有的產(chǎn)品系列，并至少針對(duì)幾種不同的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，以理解選擇的意義。

對(duì)于降低L電壓的例子，我們首先計(jì)算電感乘以峰值電流的平方。取值7μH，圖3所示的峰值電流為25A。然后將產(chǎn)品標(biāo)繪在圖5的x軸上，所用的小磁芯面積約為0.45cm2。然后選擇的磁芯是Ferroxcube或TDK的RM8磁芯，如圖1所示。內(nèi)核始終可用，是電力行業(yè)的熱門選擇。

電容和電感在交流電下會(huì)不會(huì)產(chǎn)生電流的熱效應(yīng)？

我們知道，交流正弦電路中的電感由于反電動(dòng)勢(shì)，其兩端的電壓和電流相差近90度。對(duì)于純電感電路，相位差等于90度。

讓我們看一下圖1:注意將電源波形圖與電壓和電流波形圖進(jìn)行比較。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)電感在一段時(shí)間內(nèi)從電源獲取電能，在另一段時(shí)間內(nèi)將電能回饋給電網(wǎng)。如果不考慮電源和電感之間的線電阻，電感可以被視為不消耗能量。

電容的情況類似于電感的情況。差別只是電壓和電流之間的相位差:一個(gè)比電壓高90度，另一個(gè)比電流高90度。

與電阻不同，我們稱之為電感電容和電源無功之間的功率交換，這意味著它們不消耗有功功率。但事實(shí)真的是這樣嗎？

在我們的研究中，導(dǎo)線的線路電阻可以忽略，但在實(shí)際配電系統(tǒng)中，由于電流規(guī)模大，必須考慮線路電阻。

我們這樣想:當(dāng)電感和電容等無功負(fù)載與電源交換無功功率時(shí)，相應(yīng)的無功電流將不可避免地流經(jīng)兩者之間的電纜。電纜上既有電阻負(fù)載產(chǎn)生的有功功率電流，也有電感/電容產(chǎn)生的無功功率電流，兩者都會(huì)使電纜發(fā)熱。

我們把與無功功率相對(duì)應(yīng)的加熱稱為“無功功率交換引起的電纜有功功率消耗”，這是一個(gè)有點(diǎn)尷尬的名詞組合。

電容和電感是怎樣改變電流相位的？

電容器可以看作是一個(gè)大容量水桶，而電感器可以看作是一個(gè)大慣性的水輪。假設(shè)有一個(gè)帶有兩根水管的恒壓水源，恒壓水源上的控制壓力保持恒壓水源兩端的壓力始終相等，水源兩端的水管連接到水桶的底部。在初始時(shí)刻，當(dāng)恒壓水源在水桶的兩端施加水壓時(shí)，由于水桶中的水壓和水壓源施加的水壓不一致，水壓可能高也可能低，所以當(dāng)水壓高時(shí)，恒壓水源會(huì)非常努力地向水桶加水，當(dāng)水壓低時(shí)， 水桶里的水將會(huì)是這個(gè)過程，當(dāng)水流靜止時(shí)，這個(gè)過程終會(huì)導(dǎo)致水壓平衡。 在交流環(huán)境中，也可以看出當(dāng)水流為0時(shí)，外部壓力和內(nèi)部壓力是平衡的，外部水壓的變化也趨于平衡。在電路上，也就是說，在變化率z小的點(diǎn)上，我們可以看到電壓變化為零。否則，電流會(huì)向低電壓方向變化。感應(yīng)器視為水輪，水輪兩端連接恒流源。當(dāng)恒流源連接到水輪的兩端時(shí)，水輪具有很大的慣性，這使得水輪沒有時(shí)間改變，然后克服慣性移動(dòng)，直到水流和恒流源相等。在純電容電路中，只有交流電壓正弦波的Z高和Z低電流變化是Z穩(wěn)定的，因此電流為0。在克服慣性的過程中，由于水輪的阻擋，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向水壓，當(dāng)水輪平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)后，反向水壓基本消失。在交流電路中，我們還可以看到電流變化z穩(wěn)定時(shí)，電壓為0。在純電感電路中，只有交流正弦波的Z高和Z低電流變化是Z穩(wěn)定的，因此電壓為0。可以看出，電容電路中的電壓滯后電流90度，而電感電路則相反。至于電感和電容串聯(lián)的交流電路中電感和電容之間的電壓和電流在導(dǎo)體上的相位差，如果是純器件電路，那么這個(gè)問題是沒有意義的，因?yàn)槔硐雽?dǎo)體的兩端不可能有壓差，只有電源的兩端才能有壓差，那么請(qǐng)根據(jù)基爾霍夫定律計(jì)算。

電源電感的工作模式

電壓和電流的極性如圖2所示。該電源的工作原理如下:1 .當(dāng)開關(guān)管SW接通時(shí)，二極管d反向偏置并關(guān)斷，二極管電流ID=0，輸入電壓通過電感向負(fù)載RL供電，電感和電容存儲(chǔ)能量，電感電流IL逐漸增大，如圖1中的藍(lán)色回路所示；2.當(dāng)開關(guān)管SW關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管電流IT=0，電感器由于其自感電動(dòng)勢(shì)而通過二極管d續(xù)流繼續(xù)向負(fù)載RL供電，并且電感器電流IL逐漸減小，如圖1中的紅色回路所示。在操作期間，開關(guān)管以非常高的頻率(通常在幾十千赫到幾兆赫的數(shù)量級(jí))反復(fù)接通和斷開。

根據(jù)能量守恒，在穩(wěn)態(tài)條件下，即伏-秒平衡原理，在開關(guān)周期中電感器兩端的電壓平均值為0。根據(jù)電感電流在開關(guān)周期內(nèi)是否連續(xù)，有三種工作模式，即電流連續(xù)模式、BCM臨界電流模式和電流斷續(xù)模式。

1.連續(xù)電流模式

根據(jù)伏秒平衡原理，在穩(wěn)態(tài)條件下，在導(dǎo)通周期D*T內(nèi)，共模電感電壓為(Vin-Vout)。在關(guān)斷期間(1-D)*T，電感電壓為Vout，兩者的乘積相等，即:

(Vin-Vout)DT=Vout(1-D)T，

其中d是占空比，t是開關(guān)周期，Vin是輸入電壓，Vout是輸出電壓，您可以獲得:

Vout/Vin=D .

可以看出，CCM模式下的傳遞函數(shù)等于占空比，與負(fù)載電流無關(guān)。

可以看出，電感電流不會(huì)是0。在開關(guān)管開關(guān)的接通期間，開關(guān)管電流IT從某個(gè)不為0的值開始上升，直到開關(guān)管開關(guān)斷開時(shí)達(dá)到大值。根據(jù)公式U=L*dI/dt，電流變化率dI/dt=U/L，因此開關(guān)導(dǎo)通期間的電流變化率為(Vin-Vout)/L，在此期間二極管電流ID為0；在開關(guān)管開關(guān)斷開期間，二極管電流ID開始下降，直到開關(guān)再次接通，達(dá)到小電流值。類似地，可用電流變化率為Vout/L，在此期間開關(guān)管電流為0。開關(guān)管電流it和二極管電流ID的組合是整個(gè)開關(guān)接通和斷開期間的電感電流IL。