摘 要 ： 介 绍 了 饱 和 电 感 的 分 类 及 其 基 本 物 理 特 性 ， 总 结 了 可 饱 和 电 感 在 尖 峰 抑 制 器 、 磁 放 大 器 、 移 相 全 桥 ZVS- PWM变 换 器 、 谐 振 变 换 器 和 逆 变 电 源 中 的 应 用 。
关 键 词 ： 可 饱 和 电 感 ； 尖 峰 抑 制 器 ； 磁 放 大 器 ； 移 相 全 桥 ； 谐 振 变 换 器 ； 逆 变 电 源

引 言
饱 和 电 感 是 一 种 磁 滞 回 线 矩 形 比 高 ， 起 始 磁 导 率 高 ， 矫 顽 力 小 ， 具 有 明 显 磁 饱 和 点 的 电 感 ， 在 电 子 电 路 中 常 被 当 作 可 控 延 时 开 关 元 件 来 使 用 。 由 于 其 独 特 的 物 理 特 性 ， 使 之 在 高 频 开 关 电 源 的 开 关 噪 声 抑 制 ， 大 电 流 输 出 辅 路 稳 压 ， 移 相 全 桥 变 换 器 ， 谐 振 变 换 器 及 逆 变 电 源 等 方 面 得 到 了 日 益 广 泛 的 应 用 。

1 饱 和 电 感 的 分 类 及 其 物 理 特 性 [1]

1.1 饱 和 电 感 的 分 类
饱 和 电 感 可 分 为 自 饱 和 和 可 控 饱 和 二 类 。

1.1.1 自 饱 和 电 感 （ Saturable inductor）
其 电 感 量 随 通 过 的 电 流 大 小 可 变 。 若 铁 心 磁 特 性 是 理 想 的 （ 例 如 呈 矩 形 ） ， 如 图 1（ a） 所 示 ， 则 饱 和 电 感 工 作 时 ， 类 似 于 一 个 “ 开 关 ” ， 即 绕 组 中 的 电 流 小 时 ， 铁 心 不 饱 和 ， 绕 组 电 感 很 大 ， 相 当 于 “ 开 路 ” ； 绕 组 中 电 流 大 时 ， 铁 心 饱 和 ， 绕 组 电 感 小 ， 相 当 于 开 关 “ 短 路 ” 。

1.1.2 可 控 饱 和 电 感 （ controlled saturable inductor）
又 称 可 控 饱 和 电 抗 器 （ controlled saturable reactor） ， 其 基 本 原 理 是 ， 带 铁 心 的 交 流 线 圈 在 直 流 激 磁 作 用 下 ， 由 于 交 直 流 同 时 激 磁 ， 使 铁 心 状 态 一 周 期 内 按 局 部 磁 回 线 变 化 ， 因 此 ， 改 变 了 铁 心 等 效 磁 导 率 和 线 圈 电 感 。 若 铁 心 磁 特 性 是 理 想 的 （ B－ H特 性 呈 矩 形 ） ， 则 可 控 饱 和 电 感 类 似 于 一 个 “ 可 控 开 关 ” 。 在 开 关 电 源 中 ， 应 用 可 控 饱 和 电 感 可 以 吸 收 浪 涌 ， 抑 制 尖 峰 ， 消 除 振 荡 ， 与 快 速 恢 复 整 流 管 串 联 时 可 使 整 流 管 损 耗 减 小 。 如 图 1（ b） 所 示 ， 可 控 饱 和 电 感 具 有 高 磁 滞 回 线 矩 形 比 （ Br/Bs） ， 高 起 始 磁 导 率 μ i， 低 矫 顽 力 Hc， 明 显 的 磁 饱 和 点 （ A， B） 及 由 于 其 磁 滞 回 线 所 包 围 的 面 积 狭 小 而 使 其 高 频 磁 滞 损 耗 较 小 等 特 征 。 为 此 ， 可 控 饱 和 电 感 在 应 用 方 面 的 两 个 显 著 特 点 为

1） 由 于 饱 和 磁 场 强 度 很 小 ， 所 以 ， 可 饱 和 电 感 的 储 能 能 力 很 弱 ， 不 能 被 当 作 储 能 电 感 使 用 。 可 饱和 电 感 的 最 大 储 能 Em的 理 论 值 可 用 式 （ 1） 表 示 .

式 中 ：μ 为 临 界 饱 和 点 磁 导 率 ；
H为 临 界 饱 和 点 磁 场 强 度 ；
V为 磁 性 材 料 的 有 效 体 积 。

2） 由 于 可 饱 和 电 感 的 起 始 磁 导 率 高 ， 磁 阻 小 ， 电 感 系 数 和 电 感 量 都 很 大 ， 在 施 加 外 部 电 压 时 ， 电 感 内 部 起 始 电 流 增 长 缓 慢 ， 只 有 经 过 Δ t的 延 时 后 ， 当 电 感 线 圈 中 的 电 流 达 到 一 定 数 值 时 ， 可 饱 和 电 感 才 会 立 即 饱 和 ， 因 而 在 电 路 中 常 被 当 作 可 控 延 时 开 关 元 件 使 用 。

2 可 饱 和 电 感 随 电 流 变 化 的 关 系
因 为 ， 有 气 隙 和 无 气 隙 的 dB/di磁 路 的 计 算 方 法 不 同 ， 所 以 ， 分 别 对 两 种 情 况 进 行 讨 论 。

1.2.1 无 气 隙 可 饱 和 电 感 与 电 流 的 关 系
无 气 隙 可 饱 和 电 感 L随 电 流 变 化 的 关 系 可 用 式 （ 2） 表 示

式 中 ： W为 电 感 绕 组 匝 数 ；
I为 激 磁 电 流 ；
f为 电 感 用 磁 性 材 料 B～ H曲 线 的 对 应 函数 ；
S为 磁 性 材 料 的 截 面 积 ；
l磁 性 材 料 的 为 平 均 长 度 。

1.2.2 有 气 隙 可 饱 和 电 感 与 电 流 的 关 系
任 意 给 定 一 个 导 磁 体 磁 路 中 磁 感 应 强 度 B1， 可 由 B=f(H)曲 线 求 出 导 磁 体 磁 路 中 的 磁 场 强 度 H1。 气 隙 中 的 H0值 可 用 式 （ 3） 表 示 。

式 中 ： B0为 空 气 隙 磁 感 应 强 度 ；
a和 b为 磁 路 矩 形 截 面 积 边 长 ；
l0为 气 隙 长 度 ；
μ 0为 空 气 磁 导 率 。
由 磁 路 定 律 得 改 变 B值 并 重 复 上 述 步 骤 ， 可 求 出 相 应 的 I， 得 到 一 组 B和 I的 关 系 数 据 。 设 这 个 B与 I对 应 的 函 数 为 B=f1(I)。
在 不 考 虑 漏 感 时 ， 电 感 的 计 算 式 可 用 式 （ 4） 表 示 。

2 饱 和 电 感 在 开 关 电 源 中 的 应 用
2.1 尖 峰 抑 制 器
开 关 电 源 中 尖 峰 干 扰 主 要 来 自 功 率 开 关 管 和 二 次 侧 整 流 二 极 管 的 开 通 和 关 断 瞬 间 。 具 有 容 易 饱 和 ， 储 能 能 力 弱 等 特 点 的 饱 和 电 感 能 有 效 抑 制 这 种 尖 峰 干 扰 。 将 饱 和 电 感 与 整 流 二 极 管 串 联 ， 在 电 流 升 高 的 瞬 间 ， 它 呈 现 高 阻 抗 ， 抑 制 尖 峰 电 流 ， 而 饱 和 后 其 饱 和 电 感 量 很 小 ， 损 耗 小 。 通 常 将 这 种 饱 和 电 抗 器 作 为 尖 峰 抑 制 器 。

在 图 2所 示 电 路 中 ， 当 S1导 通 时 ， D1导 通 ， D2截 至 ， 由 于 可 饱 和 电 感 Ls的 限 流 作 用 ， D2中 流 过 的 反 向 恢 复 电 流 的 幅 值 和 变 化 率 都 会 显 著 减 小 ， 从 而 有 效 地 抑 制 了 高 频 导 通 噪 声 的 产 生 。 当 S1关 断 时 ， D1截 至 ， D2导 通 ， 由 于 Ls存 在 着 导 通 延 时 时 间 Δ t， 这 将 影 响 D2的 续 流 作 用 ， 并 会 在 D2的 负 极 产 生 负 值 尖 峰 电 压 。 为 此 ， 在 电 路 中 增 加 了 辅 助 二 极 管 D3和 电 阻 R1。

.2 磁 放 大 器
磁 放 大 器 是 利 用 可 控 饱 和 电 感 导 通 延 时 的 物理 特 性 ， 控 制 开 关 电 源 的 占 空 比 和 输 出 功 率 。 该 开 关 特 性 受 输 出 电 路 反 馈 信 号 的 控 制 ， 即 利 用 磁 芯 的 开 关 功 能 ， 通 过 弱 信 号 来 实 现 电 压 脉 冲 脉 宽 控 制 以 达 到 输 出 电 压 的 稳 定 。 在 可 控 饱 和 电 感 上 加 上 适 当 的 采 样 和 控 制 器 件 ， 调 节 其 导 通 延 时 的 时 间 ， 就 可 以 构 成 最 常 见 的 磁 放 大 器 稳 压 电 路 。
磁 放 大 器 稳 压 电 路 有 电 压 型 控 制 和 电 流 型 控 制 两 种 。 图 3所 示 为 电 压 型 复 位 电 路 ， 它 包 括 电 压 检 测 及 误 差 放 大 电 路 ， 复 位 电 路 和 控 制 输 出 二 极 管 D3， 它 是 单 闭 环 电 压 调 节 系 统 。

图 4所 示 为 移 相 全 桥 ZVS- PWM开 关 电 源 磁 放 大 器 稳 压 器 [2]。 全 桥 开 关 电 路 变 压 器 二 次 双 半 波 整 流 各 接 一 个 磁 放 大 器 SR， 其 铁 心 绕 有 工 作 绕 组 和 控 制 绕 组 。 在 正 半 周 ， 当 某 输 出 整 流 管 正 偏 （ 另 一 输 出 整 流 管 反 偏 ） ， 变 压 器 副 边 输 出 的 方 波 脉 冲 加 在 相 应 的 工 作 绕 组 上 ， 使 SR铁 心 正 向 磁 化 （ 增 磁 ） ； 在 负 半 周 ， 该 输 出 整 流 管 反 偏 ， 和 控 制 绕 组 串 联 的 二 极 管 D3正 偏 导 通 ， 在 直 流 控 制 电 流 Ic的 作 用 下 ， 使 该 SR的 铁 心 去 磁 （ 复 位 ） 。

控 制 电 路 的 工 作 原 理 是 ： 开 关 电 源 输 出 电 压 与 基 准 比 较 后 ， 经 误 差 放 大 控 制 MOS管 的 栅 极 ， MOS管 提 供 与 输 出 电 压 有 关 的 磁 放 大 器 SR的 控 制 电 流 Ic。

2.3 移 相 全 桥 ZVS- PWM变 换 器
移 相 全 桥 ZVS- PWM变 换 器 结 合 了 零 电 压 开 关 准 谐 振 技 术 和 传 统 PWM技 术 两 者 的 优 点 ， 工 作 频 率 固 定 ， 在 换 相 过 程 中 利 用 LC谐 振 使 器 件 零 电 压 开 关 ， 在 换 相 完 毕 后 仍 然 采 用 PWM技 术 传 送 能 量 ， 控 制 简 单 ， 开 关 损 耗 小 ， 可 靠 性 高 ， 是 一 种 适 合 于 大 中 功 率 开 关 电 源 的 软 开 关 电 路 。 但 当 负 载 很 轻 时 ， 尤 其 是 滞 后 桥 臂 开 关 管 的 ZVS条 件 难 以 满 足 。

将 饱 和 电 感 作 为 移 相 全 桥 ZVS- PWM变 换 器 的 谐 振 电 感 [3]， 能 扩 大 轻 载 下 开 关 电 源 满 足 ZVS条 件 的 范 围 。 将 其 应 用 于 弧 焊 逆 变 电 源 中 [4]， 可 减 少 附 加 环 路 能 量 和 有 效 占 空 比 的 损 失 ， 在 保 证 效 率 的 基 础 上 ， 扩 展 了 零 电 压 切 换 的 负 载 范 围 ， 提 高 了 软 开 关 弧 焊 逆 变 电 源 的 可 靠 性 。

将 饱 和 电 感 与 开 关 电 源 的 隔 离 变 压 器 二 次 输 出 整 流 管 串 联 ， 可 消 除 二 次 寄 生 振 荡 ， 减 小 循 环 能 量 ， 并 使 移 相 全 桥 ZVS- PWM开 关 电 源 的 占 空 比 损 失 最 小 。
除 此 以 外 ， 将 饱 和 电 感 与 电 容 串 接 在 移 相 全 桥 ZVS- PWM开 关 电 源 变 压 器 一 次 [5]， 超 前 臂 开 关 管 按 ZVS工 作 ； 当 负 载 电 流 趋 近 于 零 时 ， 电 感 量 增 大 ， 阻 止 电 流 反 向 变 化 ， 创 造 了 滞 后 臂 开 关 管 ZCS条 件 ， 实 现 移 相 全 桥 ZV- ZCSPWM变 换 器 。

2.4 谐 振 变 换 器
采 用 串 联 电 感 或 饱 和 电 感 的 串 联 谐 振 变 换 器 [6]如 图 5所 示 。 当 谐 振 电 感 电 流 工 作 在 连 续 状 态 时 ， 开 关 管 为 零 电 压 /零 电 流 关 断 ， 但 开 通 是 硬 开 通 ， 存 在 开 通 损 耗 。 反 并 联 二 极 管 为 自 然 开 通 ， 但 关 断 时 有 反 向 恢 复 电 流 ， 因 此 ， 反 并 联 二 极 管 必 须 采 用 快 恢 复 二 极 管 。 为 了 减 小 开 关 管 的 开 通 损 耗 ， 实 现 零 电 流 开 通 ， 可 以 使 开 关 管 串 联 电 感 或 饱和 电 感 。 开 关 管 开 通 之 前 ， 饱 和 电 感 电 流 为 零 。 当 开 关 管 开 通 时 ， 饱 和 电 感 限 制 开 关 管 的 电 流 上 升 率 ， 使 开 关 管 电 流 从 零 慢 慢 上 升 ， 从 而 实 现 开 关 管 的 零 电 流 开 通 ， 同 时 改 善 了 二 极 管 的 关 断 条 件 ， 消 除 了 反 向 恢 复 问 题 。

2.5 逆 变 电 源 [7]
逆 变 电 源 以 其 控 制 性 能 好 ， 效 率 高 ， 体 积 小 等 诸 多 优 点 ， 被 广 泛 用 于 自 动 控 制 ， 电 力 电 子 及 精 密 仪 器 等 各 个 方 面 。 它 的 性 能 与 整 个 系 统 的 品 质 息 息 相 关 ， 尤 其 是 电 源 的 动 态 性 能 。 由 于 逆 变 电 源 自 身 的 特 点 ， 其 动 态 特 性 一 直 不 够 理 想 。

采 用 PWM和 PFM控 制 的 逆 变 电 源 ， 其 工 作 原 理 决 定 了 要 得 到 平 滑 的 电 流 电 压 波 形 ， 必 须 在 其 输 出 电 路 上 加 续 流 电 感 ， 而 该 电 感 正 是 影 响 逆 变 电 源 动 态 性 能 的 主 要 因 素 。 对 于 恒 压 源 ， 电 感 电 流 与 负 载 完 全 成 反 比 关 系 ； 对 于 可 控 恒 流 源 ， 要 使 电 感 电 流 由 小 变 大 ， 必 然 要 以 小 的 负 载 值 作 为 前 提 ， 尽 管 不 是 完 全 的 对 应 关 系 ， 但 可 以 说 电 流 的 变 化 在 某 种 程 度 上 反 映 了 负 载 的 变 化 。

因 此 ， 采 用 随 电 流 增 大 而 减 小 的 电 感 作 为 逆 变 电 源 的 输 出 电 感 ， 可 有 效 地 改 变 电 源 输 出 电 路 的 时 间 常 数 T， 使 其 完 全 与 R成 反 比 （ T=L/R） ， 进 而 在 负 载 变 化 范 围 内 维 持 在 一 个 相 对 较 小 的 数 值 上 ， 这 样 自 然 会 提 高 动 态 性 能 。

3 结 语
本 文 详 述 了 饱 和 电 感 的 物 理 特 性 及 其 电 感 与 电 流 的 变 化 关 系 ， 在 此 基 础 上 总 结 了 饱 和 电 感 在 尖 峰 抑 制 器 ， 磁 放 大 器 ， 移 相 全 桥 ZVS- PWM变 换 器 ， 谐 振 变 换 器 和 逆 变 电 源 中 的 应 用 情 况 ， 并 简 要 地 分 析 了 它 们 的 工 作 原 理 。 （转自 北极星电技术网）