防止高频变压器磁饱和的方法 admin    18/09/08



一.磁饱和对开关电源的危害及避免方法

    在铁磁性材料被磁化的过程中,磁感应强度B首先随外部磁场强度H的增加而不 断增强;但是当H超过一定数值时,磁感应强度B就趋近于某一个固定值,达到磁饱 和状态。典型的磁化曲线如图4-8-1所示,当B≈BP时就进入临界饱和区,当B≈BO。 时就到达磁饱和区。对开关电源而言,当高频变压器内的磁通量(Φ=B5)不随外界磁 场强度的增大而显著变化时,称之为磁饱和状态。因磁场强度H变化时磁感应强度B 变化很小,故磁导率显著降低,磁导率μ=ΔB/ΔH。此时一次绕组的电感量LP也明显降低。由图可见,磁导率 就等于磁化曲线的斜率,但由于磁化曲线是非线性的,因此μ并不是一个常数。

图4-8-1  铁磁性材料的磁化曲线

    一旦发生磁饱和,对开关电源的危害性极大,轻则使元器件过热,重则会损坏元器件。在磁饱和时,一次 绕组的电感量LP明显降低,以至于一次绕组的直流电阻(铜阻)和内部功率开关管MOSFET的功耗迅速增加, 导致一次侧电流急剧增大,有可能TOPSwitch内部的限流电路还来不及保护,MOSFET就已经损坏。发生磁饱 和故障时主要表现在:①高频变压器很烫,TOPSwitch芯片过热;②当负载加重时输 出电压迅速跌落,达不到设计输出功率。

    防止高频变压器磁饱和的方法很多,主要是适当减小一次绕组的匝数。此外,尽量 选择尺寸较大的磁心并且给磁心留出一定的气隙宽度δ,也能防止磁心进入磁饱和状态。

二.检测高频变压器磁饱和的简便方法

    在业余条件下,检测高频变压器是否磁饱和比较困难。作者在实践过程中总结出一 种简便有效的方法,即测量一次绕组的电流斜率是否有突变,若有突变,则证明已经发 生磁饱和了。检测磁饱和的电路如图4-8-2所示。首先由方波信号发生器产生1— 3kHz的方波信号,然后经过带过电流保护的交流功率放大器输出±10~20V、±10A 以内的功率信号,再通过一次绕组加到取样电阻R0上,最后利用示波器来观测R0上的 电压波形。R0可选0.1Ω、2W的精密线绕电阻。

图4-8-2  检测磁饱和的电路

    对于一个理想电感,当施加固定的直流电压时,其电流i随时间t变化的波形如图 4-8-3(a)所示。在小电流情况下,可认为i是线性变化的。图(b)则是给电感施加方波 电UO时所对应的电流波形。当方波输出为正半周时(例如在t2~t3阶段,这对应于功率 开关管的导通阶段),电感电流线性地上升到A点;当方波输出为负半周时(例如在t3~t4 阶段,这对应于功率开关管的关断阶段),电感电流线性地下降到B点。由于在降低过程和 升高过程中电流波形的斜率是相同的,因此最终形成了对称的三角波。

图4-8-3  两种波形的对应关系

    末发生磁饱和时,利用示波器从R0上观察到的电压波形UR0应为三角波电压。若 观察到的UR0波形在顶端出现很小的尖峰电压,则证明一次绕组的电流斜率开始发生突 变,由此判断高频变压器达到临界磁饱和区。若尖峰电压较高,就意味着电流斜率发生 明显的突变,高频变压器已进入磁饱和区。末发生磁饱和时的波形、临界磁饱和波形和 磁饱和波形的比较,如图4-8-4所示。

图4-8-4  三种波形的比较

    上述方法具有以下特点:①能够模拟高频变压器是否发生磁饱和;②利用低压、大 电流来检测临界磁饱和点,功率放大器输出能自动限定最大输出功率;③高频变压器不 需要接任何外围元器件,操作简便,安全性好;④一次侧电流i的上升速率较低,便于 进行观察与操作。

    实测某开关电源的临界磁饱和电流,测试数据详见表4-8-1。从中可总结出以下 规律:第一,使用同一型号的磁心时,一次绕组的匝数愈少,其电感量愈小,临界磁饱 和电流愈大;这是因为磁场强度(H)与一次绕组的匝数和一次侧峰值电流的乘积 (NP·IP)成正比,所以当IP不变时,NP↓ →IP↓,就不容易引起磁心饱和;第二, 在同样的输出功率下,选择尺寸较大的磁心能获得较大的临界磁饱和电流

表4-8-1  测试临界磁饱和电流的数据

磁心型号 E30 E33 E40 EI25 EI40
一次绕组的匝数(T)654556335117734
临界磁饱和电流(A)1.922.92.254.05.211.047.5

    最后需要指出的是,高频变压器的临界磁饱和电流应大于开关电源的电流极限值 ILIMIT,以免开关电源在过电流保护之前高频变压器就已进入磁饱和状态。



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