磁放大器
磁放大器能使開關電源得到精確的控制,從而提高了其穩定性.磁放大器磁芯可以用坡莫合金,鐵氧體或非晶,納米晶(又稱超微晶)材料制作.非晶、納米晶軟磁材料因具有高磁導率,高矩形比和理想的高溫穩定性,將其應用于磁放大器中,能提供無與倫比的輸出調節精確性,并能取得更高的工作效率,因而倍受青睞.非晶、納米晶磁芯除上述特點外還具備以下優點:
1)飽和磁導率低;
2)矯頑力低;
3)復原電流小;
4)磁芯損耗少;
磁放大輸出穩壓器沒有采用晶閘管或半導體功率開關管等調壓器件,而是在整流管輸出端串聯了一個可飽和扼流圈(如圖6所示),所以它的損耗小.
由圖6可知,磁放大穩壓器的關鍵是可控飽和電感Lsr和復位電路.可控飽和電感是由具有矩形B?H回線的磁芯及其上的繞組組成,該繞組兼起工作繞組和控制繞組的作用.復位(RESET)是指磁通到達飽和后的去磁過程,使磁通或磁密回到起始的工作點,稱為磁通復位.由于磁放大穩壓器所用的磁芯材料的特點(良好的矩形B?H回線及高的磁導率),使得磁芯未飽和時的可控飽和電感對輸入脈沖呈現高阻抗,相當于開路,磁芯飽和時可控飽和電感的阻抗接近于0,相當于短路.
目前開關電源工作頻率已提到幾百kHz以上,磁放大器在開關電源中的廣泛應用對軟磁材料提出了更高的要求.在如此高的頻率下,坡莫合金由于電阻率太低(約60μΩ?cm)導致渦流損耗太大,造成溫升高,效率降低,采用超薄帶和極薄帶雖能有所改善,但成本將大幅度上升;鐵氧體具有很高的電阻率(大于105μΩ?cm),但其Bs過低,居里點也太低.由于工作環境惡劣,對材料的應力敏感性、熱穩定性等都有嚴格要求,上述材料是很難滿足要求的.
圖6 磁放大輸出穩壓電路
圖7 輔路帶磁放大器的典型應用電路
圖8 完全利用磁放大器的穩壓電路
非晶合金的出現大大豐富了軟磁材料.其中的鈷基非晶合金具有中等的飽和磁感應強度,超微合金具有較高的飽和磁感應強度,它們都具有極低的飽和磁致伸縮系數和磁晶各向異性.鈷基非晶和超微晶在保持高方形比的同時可以具有很低的高頻損耗,用于高頻磁放大器中,可大大提高電源效率,大幅度減小重量、體積,是理想的高頻磁放大器鐵芯材料.
3 高頻磁放大輸出穩壓器典型應用電路
圖7所示的多路輸出電源,其主路為閉環反饋PWM控制方式,輔路為磁放大式穩壓電源.由于輔路磁放大輸入電壓波形受控于變壓器主、輔繞組比,以及主路的工作狀態(主路輸出電壓的高低和主路負載的高低等),所以輔路的交叉負載調整率仍然不能夠達到理想的狀態.
圖8所示是一種完全利用磁放大器穩壓技術設計的多路輸出穩壓電源.此電源前級為雙變壓器自激功率變換電路,后級多路輸出均為磁放大器穩壓電路.并且各路之間無關,前后級之間無反饋,無脈寬調制器(PWM).
此電路的優點如下:
1)電路結構簡單,使用元器件數量少,除了兩只功率管以外,其它元器件均是永久性或半永久性的,可靠性極高,制作也很方便;
2)電路中沒有隔離反饋放大器,因此調整極其容易,而且一旦調整好后就無須維護,前級變換功率取決于后級總輸出功率;
3)各路的輸出特性相互獨立,獨自調整穩壓,無主、輔路之分,所以,各輸出電路的負載調整率的交叉負載調整率都非常理想,小于0?5%;
4)磁放大器在功率開通瞬間,處于“開路”狀態,功率管在此刻的導通電流趨近于零,因而,損耗減到了最低限度,這有利于變換器的高頻化和高效率;
5)由于前級功率變換器為不調寬的純正方波,以及后級接了磁放大器,這樣可以大幅度地降低輸出紋波的峰-峰值,普通PWM型電源的輸出紋波大約為輸出電壓標稱值的1%左右,而采取帶磁放大器的整流電路,紋波的峰-峰值可比較容易地降低到0.1%左右.
上述磁放大型穩壓電源的綜合電特性都是其它PWM隔離負反饋多路電源所無法比似的.尤其對多路電源實際應用來講,可以對電源內部特性和電子系統的負載特性不予考慮,拿來就能使用,用上就無問題.但是,現代磁放大型穩壓電源還存在如下一些問題,有待解決.
1)電路形式需進一步完善(尤其是電源前級功率變換電路),應加入過、欠壓保護,過流、短路保護,電源使能端.
2)進一步提高工作頻率,以便減小體積.
3)進一步提高效率,減小磁損.
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