摘  要: 介绍了采用常见磁芯经专门设计构造的正交耦合变压器,方便地实现了调μ(等效磁导率)调频,并把这种变压器应用到有固定死区的恒功率输出DC-DC变换器中,实现了变频稳压。 

    关键词: 正交变压器  等效磁导率  调频调压

    文献[1]给出了采用正交变压器进行调频稳压的开关电源实例,其电路简单、调频范围大、稳压特性好,但述及的正交变压器结构复杂,并且需用专门的铁氧体磁芯,故实现较难。 

    本文介绍一种采用普通的罐形铁氧体磁芯经特殊设计实现的正交耦合变压器。把它应用到自激开关电源电路中,可取得令人满意的结果。 

1 罐形铁氧体磁芯正交耦合的实现方法及其物理解释 

1.1 实现方法 

    使用罐状铁氧体磁芯实现正交耦合的方法见图1。在骨架内绕有控制绕组N_C,磁罐对合后,在固定孔中穿绕工作绕组N₁₁、N₁₂、N₁₃,将上述绕组分别称为内置绕组和外置绕组。其中,各外置绕组N₁₁、N₁₂、N₁₃间可视为全耦合,耦合系数R≈1;而内置的控制绕组N_C与各外置工作绕组N₁₁、N₁₂、N₁₃间因磁力线正交可视为弱耦合,磁力线关系见图1(c),耦合系数R≈0。这样N_c与N₁各绕组就实现了正交耦合,这种物理构成即为正交变压器。 

1.2 调等效磁导率使频率变化的物理解释 

    设某外置绕组在构成电路时驱动点电感为L_i,此电感值与绕组匝数N_i及磁芯磁导率μ成正比,即L_i∝μN_c;若施直流电流I_c于N_c时,产生稳定磁场B_c,则B_c与N_c和I_c成正比,即B_c∝N_cI_c。 

    通常情况下,铁氧体材料的磁滞回线均非常窄小狭长,工作时极易饱和。而在饱和情况下,变压器接近于空心变压器,各绕组电感均取得最小值。在饱和前的线性区域内,I_c改变时,B_c也随之改变。当B_c逐渐增大时,从各N_i看入的磁介质等效磁导率逐渐变小。当B_c使磁芯达到饱和时,等效磁导率达到最小值,此时该变压器接近于空心变压器。在这个调节过程中,若使I_c连续增加,则等效磁芯磁导率也连续变小,这样N₁的电感量也连续变小,进而使由L_i构成的振荡电路的频率连续升高。反之,其调节过程就与如上过程相反。 

    按文献[3]中所述的分子电流观点,当I_c增大,使等效磁芯磁导率下降可作如下解释:磁芯是可饱和的,存在有最大饱和磁通密度B_m。这就是说磁化是有限度的,即对于指定磁芯这种磁介质而言,束缚分子电流为有限值,I_c的作用使从外置绕组N₁看入的可用于磁化的束缚分子电流减少了。且I_c越大,B_c越大,束缚分子电流减少得越多。当B_c=B_m时,磁芯饱和,束缚分子电流均有一致的取向,且与N₁可作用的方向垂直。此时由N₁看入的等效磁导率约为零,则N₁可视为空心线圈,取得最小电感值;当I_c=0、使B_c=0时,磁芯处于常态,与通常条件下的特性完全一样。 

2 正交变压器的应用实例 

    上述物理构成已在某些开关电源中有所应用,具体见文献[1]。这里给出一种把上述正交变压器运用到自激式半桥DC-DC变换器中的应用实例。 

2.1 电路组成与描述 

    半桥谐振式自激开关电源电路见图2,原电路属于开关型高频降压变换电路,其中B₁为小磁环绕制的推动变压器。这个电路属于半波半桥自激式恒功率输出的开关电源,设有固定的死区时间,开关管工作十分可靠,电路简单。恰当地设置其中的元件参数还可使其工作于谐振状态,因此它的工作效率很高(小功率输出实验中,有时效率高达90%以上)。缺点是它只适合于工作在高频恒功率输出状态,无直流稳压输出功能,且只能接阻性负载。 

    为使图2电路具有直流输出稳压功能,可使用前面介绍的正交变压器,具体做法是:用罐形铁氧体构造的正交变压器取代原图中的B₁(其中N_c为控制绕组),电路的输出侧设有整流滤波电路。注意到N_c相对于其余绕组为正交分布,为其提供电流的电路是专设的电压—电流变换器,该变换器的输入取自于电路直流输出。这样整个电路即具备了直流输出稳压的功能,它的稳压原理是:当输出电压升高时,电压—电流变换器的输出I_C增加,通过控制绕组N_c的作用使正交变压器的等效磁导率μ下降,这样就使电源的工作频率升高,在死区时间固定的条件下即会使输出电压回落;反之亦反。这就是利用正交变压器进行调I_C调μ、调μ调频、调频调压进而实现稳压的工作原理。 

2.2 实验数据及结果 

    这里使用的测试工具主要有:日产示波器(100MHz, 型号为COR550U),中国哈尔滨电表仪器厂生产的电流表(0.5级,可测试范围为0～20A),电压用数字万用表(DT9903)。 

    下面的测试结果中,输入量(U_I、I_I)的测试点为图2中的A、B两点,U_I表示A、B两点间的电压,I_I表示切断A点后串接电流表的读数;输出量(U_O、I_O)则是在直流输出端加接阻性负载后测得。 

2.2.1 输入电压调整率 

    保持负载恒定,切断图2中U/I变换器输出的C点,使I_c=0。由实验测试结果可知:该电路可在很宽的输入电压范围内正常工作,且随着输入电压升高,工作频率下降,输出电压升高。其变化规律如图3所示。 

2.2.2 控制电流的作用 

    保持负载恒定,使输入电压U_I=280V,逐渐增大控制电流,结果表明:工作频率随I_c增大而升高,输出电压U_O随I_c增大而下降。具体结果见图4。 

2.2.3 效率测试结果 

    通过实验,对电源效率进行实际测试,具体结果见图5(其中,R_L1>R_L2>R_L3)。这里的效率测试是针对输入和输出的直流量进行的,即输入直流量是在输入整流滤波之后、输出直流量是在含有肖特基整流滤波之后进行的测量。 

2.2.4 关键点波形 

    实测开关管电压与电流以及隔离变压器输出端的电压波形见图6,其中i_E、u_CE为图2中开关管T₂的波形(测试条件:U_I=280V,U_O=11.1V,I_O=6.52A;此时,I_C=20mA,f=32.8kHz,I_I=290mA)。 

    从以上的实验结果及实验可以看出,使用罐形铁氧体磁芯实现的正交变压器,体积小巧,性能优异稳定,工作可靠。把它用于有死区时间的小型开关电源中,可方便地实现稳压,同时也使电路非常简单;籍此设计的小功率直流开关稳压电源,其可靠性与功率密度等指标得到了很大提高。 

参考文献 

1 何希才.新型开关电源设计与维护. 北京:国防工业出版社, 2001 

2 叶慧贞,杨兴洲.新颖开关稳压电源. 北京:国防工业出版社,1999 

3 赵凯华,陈熙谋.电磁学.北京:人民教育出版社,1978