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非線性電感應(yīng)用探討

  在幾年前曾設(shè)想過一種可變電感,利用串聯(lián)電感局部飽和來實(shí)現(xiàn)總感量的可變,如下:

非線性電感磁芯

                             1-1 普通磁芯與非線性磁芯

昨天有幸聽了陳為博士的講座,這種非線性已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用了。

磁芯串并聯(lián)

                                    1-2 不同磁芯串并聯(lián)構(gòu)成的非線性磁芯

以反激電源設(shè)計(jì)為例,在相同開關(guān)頻率下小功率反激的電感量一般設(shè)計(jì)的比較大,大功率反激的電感量一般設(shè)計(jì)的較小,當(dāng)采用非線性磁芯后就可以兼顧大、小功率電源的優(yōu)點(diǎn)。

再比如LLC電路,如果采用了非線性磁芯那么變頻范圍就可能縮小,有助于提高電路性能。


非線性磁芯的成本和工藝應(yīng)當(dāng)不是問題,在動(dòng)態(tài)特性上可能會有些問題,本身開關(guān)電源就是非線性的現(xiàn)又增加了非線性的電感,那么在控制或環(huán)路補(bǔ)償上可能會帶來一些挑戰(zhàn)。

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hylylx
LV.9
2
2019-03-07 11:53
又有新知識點(diǎn)可看了。
0
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2019-03-07 11:56
0
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Lam小黑
LV.3
4
2019-03-07 14:46
@電源網(wǎng)-fqd
[圖片]
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2019-03-07 18:08

先搭建一個(gè)非線性電感模型,見下圖:

                         1-3 非線性反激變壓器(電感)模型

圖中變壓器電感分別由600uH200uH兩個(gè)電感串聯(lián)構(gòu)成,假設(shè)當(dāng)電流大于1A時(shí)600uH電感飽和(飽和后600uH電感自成回路),電路的總等效電感由800uH跳變至200uH。根據(jù)這個(gè)模型做的仿真如下:

                                        1-4 輕、重載非線性反激仿真對比

見上圖仿真,當(dāng)輕載電流小于1A時(shí)電路中等效電感為800uH,重載時(shí)當(dāng)電流大于1A后等效電感變?yōu)?span>200uH。連續(xù)模式時(shí)感量不影響輸出電壓所以輸出不變。

這里只有兩個(gè)電感串聯(lián)比較簡單,當(dāng)模型取多組電感串聯(lián)后可模擬出接近真實(shí)的非線性曲線。目前需要確認(rèn)的是這個(gè)模型是否準(zhǔn)確,能否用來模擬非線性電感?

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2019-03-07 21:39
@boy59
先搭建一個(gè)非線性電感模型,見下圖:[圖片]                        圖1-3非線性反激變壓器(電感)模型圖中變壓器電感分別由600uH、200uH兩個(gè)電感串聯(lián)構(gòu)成,假設(shè)當(dāng)電流大于1A時(shí)600uH電感飽和(飽和后600uH電感自成回路),電路的總等效電感由800uH跳變至200uH。根據(jù)這個(gè)模型做的仿真如下:[圖片]                                       圖1-4輕、重載非線性反激仿真對比見上圖仿真,當(dāng)輕載電流小于1A時(shí)電路中等效電感為800uH,重載時(shí)當(dāng)電流大于1A后等效電感變?yōu)?00uH。連續(xù)模式時(shí)感量不影響輸出電壓所以輸出不變。這里只有兩個(gè)電感串聯(lián)比較簡單,當(dāng)模型取多組電感串聯(lián)后可模擬出接近真實(shí)的非線性曲線。目前需要確認(rèn)的是這個(gè)模型是否準(zhǔn)確,能否用來模擬非線性電感?

如果上述模型正確的話可以設(shè)計(jì)一個(gè)從輕載到滿載全程CCM模式的反激電源,

 

                                      1-5 全負(fù)載范圍CCM模式

上面仿真中選取可飽和電感20mH(假設(shè)0.5A飽和),功率電感400uH,PWM占空比恒定不變,從輕載到重載開環(huán)情況下輸出都為12V不變。

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2019-03-11 09:24
@boy59
如果上述模型正確的話可以設(shè)計(jì)一個(gè)從輕載到滿載全程CCM模式的反激電源,[圖片]                     圖1-5全負(fù)載范圍CCM模式上面仿真中選取可飽和電感20mH(假設(shè)0.5A飽和),功率電感400uH,PWM占空比恒定不變,從輕載到重載開環(huán)情況下輸出都為12V不變。

模擬這種定占空比全負(fù)載范圍CCM模式電路上電及負(fù)載跳變時(shí)的動(dòng)態(tài)特性如下:

                                           1-6-1 非線性變壓器反激動(dòng)態(tài)特性

上圖為負(fù)載70W-0.5W-70W跳變,從仿真結(jié)果看動(dòng)態(tài)特性很差。這里占空比始終沒有改變所以動(dòng)態(tài)特性應(yīng)該不是受“非線性”因素影響的,估計(jì)是由20mH可飽和電感工作于深度CCM模式造成的。

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2019-03-11 09:56
@boy59
模擬這種定占空比全負(fù)載范圍CCM模式電路上電及負(fù)載跳變時(shí)的動(dòng)態(tài)特性如下:[圖片]                      圖1-6-1非線性變壓器反激動(dòng)態(tài)特性上圖為負(fù)載70W-0.5W-70W跳變,從仿真結(jié)果看動(dòng)態(tài)特性很差。這里占空比始終沒有改變所以動(dòng)態(tài)特性應(yīng)該不是受“非線性”因素影響的,估計(jì)是由20mH可飽和電感工作于深度CCM模式造成的。

在保證全程CCM模式的前提下降低飽和電感的飽和門限(仿真中設(shè)置為50mA),并在飽和電感旁并聯(lián)一個(gè)電容,電路的動(dòng)態(tài)特性將得到極大改善,結(jié)果如下:

                                 1-6-2 非線性變壓器反激動(dòng)態(tài)特性1

這或許說明飽和電感在電路中只充當(dāng)輔助器件的效果更佳。

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2019-03-13 22:02

可變電感的想法最初源自于軟開關(guān),如果在恒定輸入、恒定負(fù)載條件下是很容易實(shí)現(xiàn)高效軟開關(guān)的,但在全電壓、全負(fù)載范圍目前好像還沒有哪種軟開關(guān)拓?fù)淠茏龅饺誊涢_關(guān),如果讓輕載也實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的話則重載時(shí)就會產(chǎn)生過高的無功功率(環(huán)流)。

如果有了可控可變電感(或可控可變電容)那么全程軟開關(guān)應(yīng)該就有機(jī)會實(shí)現(xiàn)了。

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xiezhen
LV.7
10
2019-03-14 16:31
@boy59
可變電感的想法最初源自于軟開關(guān),如果在恒定輸入、恒定負(fù)載條件下是很容易實(shí)現(xiàn)高效軟開關(guān)的,但在全電壓、全負(fù)載范圍目前好像還沒有哪種軟開關(guān)拓?fù)淠茏龅饺誊涢_關(guān),如果讓輕載也實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的話則重載時(shí)就會產(chǎn)生過高的無功功率(環(huán)流)。如果有了可控可變電感(或可控可變電容)那么全程軟開關(guān)應(yīng)該就有機(jī)會實(shí)現(xiàn)了。

在古老的磁飽和穩(wěn)壓器控制方案中,有這樣的方式,即利用用一只可控硅導(dǎo)通角控制變壓器的一個(gè)反方向線圈電流大小,從而改變變壓器磁通量大小,從而調(diào)節(jié)飽和點(diǎn)位置。。。。

這也是一種可變電感方式

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2019-03-15 08:37
@xiezhen
在古老的磁飽和穩(wěn)壓器控制方案中,有這樣的方式,即利用用一只可控硅導(dǎo)通角控制變壓器的一個(gè)反方向線圈電流大小,從而改變變壓器磁通量大小,從而調(diào)節(jié)飽和點(diǎn)位置。。。。這也是一種可變電感方式
除機(jī)械形變的方式,目前所了解的大多也屬于這種類型,不知還有沒有其它的方式。
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2019-03-16 23:13
@boy59
可變電感的想法最初源自于軟開關(guān),如果在恒定輸入、恒定負(fù)載條件下是很容易實(shí)現(xiàn)高效軟開關(guān)的,但在全電壓、全負(fù)載范圍目前好像還沒有哪種軟開關(guān)拓?fù)淠茏龅饺誊涢_關(guān),如果讓輕載也實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的話則重載時(shí)就會產(chǎn)生過高的無功功率(環(huán)流)。如果有了可控可變電感(或可控可變電容)那么全程軟開關(guān)應(yīng)該就有機(jī)會實(shí)現(xiàn)了。

首先用Qr反激電源來做測試驗(yàn)證,參照之前分析LLC電路采用的方法將Qr反激的各段波形進(jìn)行組合繪制出其工作波形并同Saber仿真對比如下:

 

                                               1-7-1 Qr模式重載波形對比

參數(shù):Don=0.35,Lp=100uH,Cqr=26nFRo=2,Uin=100,Uo=12n=6.5,fs=60kHz。

 

                                                 1-7-2 Qr模式輕載波形對比

參數(shù):Don=0.0625Lp=280uH,Cqr=26nF,Ro=44.3,Uin=100,Uo=12,n=6.5,fs=60kHz。

通過波形對比可以驗(yàn)證計(jì)算公式是準(zhǔn)確的,也可以實(shí)現(xiàn)輕載到重載都為定頻Qr模式(始終第一谷底導(dǎo)通)。上面的仿真和計(jì)算尚未達(dá)到最低谷底點(diǎn),如果再增加谷底導(dǎo)通這一約束條件則能解出不同輸出功率下對應(yīng)的唯一占空比和唯一電感量值。(仿真和計(jì)算都忽略了漏感的影響,參數(shù)中MOS管并聯(lián)的電容Cqr值似乎有些大)

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2019-03-17 08:21
@boy59
首先用Qr反激電源來做測試驗(yàn)證,參照之前分析LLC電路采用的方法將Qr反激的各段波形進(jìn)行組合繪制出其工作波形并同Saber仿真對比如下:[圖片]                          圖1-7-1Qr模式重載波形對比參數(shù):Don=0.35,Lp=100uH,Cqr=26nF,Ro=2,Uin=100,Uo=12,n=6.5,fs=60kHz。[圖片]                           圖1-7-2Qr模式輕載波形對比參數(shù):Don=0.0625,Lp=280uH,Cqr=26nF,Ro=44.3,Uin=100,Uo=12,n=6.5,fs=60kHz。通過波形對比可以驗(yàn)證計(jì)算公式是準(zhǔn)確的,也可以實(shí)現(xiàn)輕載到重載都為定頻Qr模式(始終第一谷底導(dǎo)通)。上面的仿真和計(jì)算尚未達(dá)到最低谷底點(diǎn),如果再增加谷底導(dǎo)通這一約束條件則能解出不同輸出功率下對應(yīng)的唯一占空比和唯一電感量值。(仿真和計(jì)算都忽略了漏感的影響,參數(shù)中MOS管并聯(lián)的電容Cqr值似乎有些大)

按上述參數(shù)及谷底導(dǎo)通約束條件繪制的電感/占空比和功率/占空比關(guān)系曲線如下:

 

                      1-8 定頻Qr模式占空比與電感量、輸出功率的關(guān)系

下一步如何在電路上實(shí)現(xiàn)這個(gè)非線性電感及控制方案有些棘手了。

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2019-03-18 11:59
@boy59
按上述參數(shù)及谷底導(dǎo)通約束條件繪制的電感/占空比和功率/占空比關(guān)系曲線如下:[圖片]                       圖1-8 定頻Qr模式占空比與電感量、輸出功率的關(guān)系下一步如何在電路上實(shí)現(xiàn)這個(gè)非線性電感及控制方案有些棘手了。

嘗試非線性磁芯在Qr反激上的應(yīng)用,先假設(shè)一個(gè)磁芯其感量和電流的關(guān)系如下:

                                  1-9 假設(shè)一個(gè)非線性電感

將此電感應(yīng)用于Qr反激上的仿真結(jié)果如下:

                         1-10 非線性磁芯應(yīng)用于反激從輕載到重載波形

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2019-03-18 14:04
@boy59
嘗試非線性磁芯在Qr反激上的應(yīng)用,先假設(shè)一個(gè)磁芯其感量和電流的關(guān)系如下:[圖片]                  圖1-9假設(shè)一個(gè)非線性電感將此電感應(yīng)用于Qr反激上的仿真結(jié)果如下:[圖片]             圖1-10非線性磁芯應(yīng)用于反激從輕載到重載波形

當(dāng)采用不可控非線性電感時(shí)隨著占空比增大(負(fù)載加重)導(dǎo)通時(shí)刻會逐漸偏離谷底,如果仍然期望谷底導(dǎo)通則需要更陡峭的L/I曲線或者是降低開關(guān)頻率,帶來的副作用是峰值電流會變高。

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2019-03-18 18:01
@boy59
當(dāng)采用不可控非線性電感時(shí)隨著占空比增大(負(fù)載加重)導(dǎo)通時(shí)刻會逐漸偏離谷底,如果仍然期望谷底導(dǎo)通則需要更陡峭的L/I曲線或者是降低開關(guān)頻率,帶來的副作用是峰值電流會變高。

增加一個(gè)可控電流源,將電路改進(jìn)成可控電感式Qr反激,如下:

                         1-11-1 可控電感Qr反激電路

其中不加控制電流時(shí)的L/I曲線規(guī)律近似如下:

                1-11-2 可控非線性電感

此電感(變壓器)匹配可控電流源在不同占空比下的波形如下:

                                    1-11-3  Qr反激可控電感仿真波形

上圖中左圖可控電流源0A、占空比0.05,中圖可控電流源1.2A、占空比0.15,右圖可控電流源3.8A、占空比0.33

從仿真結(jié)果看當(dāng)采用可控電流源后可以實(shí)現(xiàn)定頻Qr反激這一預(yù)期目的,但可控電流源會帶來一些損耗(非超導(dǎo)體及理想器件),等同于其它軟開關(guān)電路中環(huán)流一般的存在。

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2019-03-19 11:39
@boy59
增加一個(gè)可控電流源,將電路改進(jìn)成可控電感式Qr反激,如下:[圖片]                        圖1-11-1可控電感Qr反激電路其中不加控制電流時(shí)的L/I曲線規(guī)律近似如下:[圖片]               圖1-11-2可控非線性電感此電感(變壓器)匹配可控電流源在不同占空比下的波形如下:[圖片]                   圖1-11-3 Qr反激可控電感仿真波形上圖中左圖可控電流源0A、占空比0.05,中圖可控電流源1.2A、占空比0.15,右圖可控電流源3.8A、占空比0.33。從仿真結(jié)果看當(dāng)采用可控電流源后可以實(shí)現(xiàn)定頻Qr反激這一預(yù)期目的,但可控電流源會帶來一些損耗(非超導(dǎo)體及理想器件),等同于其它軟開關(guān)電路中環(huán)流一般的存在。

要實(shí)現(xiàn)電感可控而又沒有環(huán)流的方案目前能想到的只有組合式方案了,如在另外的帖子中討論過的三路并聯(lián)Qr反激。

                     1-12 組合式Qr反激

如上圖輕載一路選用大電感、小MOS管,重載一路選用小電感、大MOS管。當(dāng)負(fù)載由輕到重變化時(shí)三路電源依此開啟,每一路的開關(guān)頻率都可以限制在一定的范圍內(nèi)比如60kHz~100kHz, 這樣不僅降低了頻率變化范圍還能兼容輕重載效率。

開關(guān)電源也可以采用集成的方式,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模塊化電源。

                                           1-13 集成式開關(guān)電源

如上圖可以設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元比如功率1W,如果輸出功率10W的就并聯(lián)10個(gè)單元,如果輸出功率100W就并聯(lián)100個(gè)單元……,控制上也可以采用獨(dú)立的交錯(cuò)式。相對于半導(dǎo)體的高度集成化,目前變壓器的技術(shù)有些落后了。

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