DC-DC转换器中电感的选择研究

DC-DC转换器中电感的选择研究

张锡来,王莉

大连东软信息学院

摘要：在DC-DC转换器中，由于其具有高能量转化效率，因此被广泛采用于.电感的新型开关电源中，由于其具有较高的转换能力，因此在高功率场合中都有广泛的应用。电感的选择是DC-DC变换器的一个关键问题，它必须对电感的特性和所需的电路特性有深入的了解。文中介绍了电感的选用原则，并根据文中所述的方法，可以很好的适应实际的应用.

关键词：DC-DC；转换器；PWM；开关电源

DC-DC转换器是电子器件中的一个关键部件，它的作用是在一定的输入端上提供一个稳定的DC电压输出。在一定的负荷电流范围内或一定的输入电压范围内，转换器必须调整直流输出电压。在电源系统的设计上，由最初的直线型电源系统发展到了开关电源（SMPS）。线性电源采用功耗法进行电压调整，即利用输入电压的变化来调整输出的电压，所以在高输入电压时，其能量转化的效果很差；而开关型的转换效率可达70%~80%，或以上.根据开关电源的特点，可将其分成两类：电容式开关电源，其输出功率较低，输出电压通常在数百mA左右.而以电感为基础的切换电源，其输出的能量较大，适合在中高功率场合使用.，电感的选择在电感的开关电源的应用中非常重要，在电源电路的性能选择上面起着决定性的作用。

1功率电感在开关电源中的功能

图1转换器的开关状态

通过BUCK转换器来说一下开关电源中功率电感的作用，其中，电感一头与输出电压相连，是直流电压；另外一端按此顺序与一个输入电压或一个供电接地相连接。其交变频率为开关频率,见图1.在状态1，电感连接在输入电压；在状态

2，电感连接在电源地。

根据使用的控制器的类型，连接到电源地有两种方式：其一是使用一个肖特基二极管；其二是使用另一个MOSFET.对于采用后者的转换器，这种方式称为同步（Synchronous）.在开关电源中，电路最终会达到“稳态”，所谓“稳态”，就是在一个周期中，电感增加的电流等于其减少的电流.在稳态时，考虑两种状态下电感电流会发生什么情况.在状态1，输入电压被加到电感的一端，输出电压被加电感的另一端.对于BUCK转换器，输入电压是大于输出电压的，因此有一个正电压加在电感两端.相反，在状态2，电源地被连接电感的一端，因此，有一个负电压加在电感两端.根据电感的工作特性可知，在状态1，电感电流增加；在状态2，电感电流减少.流过电感的净电流如图2所示.

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图2电感电流由图

2可知，电感的最大电流等于直流电流加上峰-峰电流的一半.后者称为脉动电流（ripplecurrent）.根据图2，有如下计算：

其中，f为开关频率，D为占空比.

2功率电感的参数及其选择功率电感参数见表1

2.1电感值（L）

电感值是最重要的参数，也是首先要计算的.正确选取的电感值必须能提供合适的储能（即电压-微秒功率），并减小输出电流波动.如果采用较低的感应值，则会提高直流输出的 AC脉冲.如果采用过大或过低的感应，则会导致变换器在连续方式和不连续方式之间发生改变.电感值的计算方法：基于电路的拓扑，绘制了电感电流图.因为在稳态下，电感增大的电流与减小的电流相等，所以，选择1和2列写入式（1）或2）是相同的。通常在10%~20%的负荷电流下，由方程式（1）中的脉冲成分决定电感的幅值.

2.2公差，DCR，SRF

一般来说，大多数的DC-DC转换器的电感值的公差在±20%左右。DCR是指电感的 DC阻抗，它代表着绕线的电阻，它的大小取决于线圈的直径和长度。通常， SRF是一种自共振的频率，每一种电感都具有一个分配电容，所以它的共振频率一定要比转换器的切换频率高得多.在设备的资料说明书中，通常是一个标准数值。所以在选定时，它的共振频率一定要比变换器的切换频率要高得多.

2.3电流额定值

在决定功率电感时，电流的额定值参数比较难确定，因为在循环中，电感的电流一直都在变，所以，这种连续的电流有很高的峰间比率，没有必要用最大的瞬间峰来选取电感；若以平均电流选取电感，则在经过高峰时，电感的性能不佳。要克服此问题，必须选用一种电感，该电感有两种不同的额定电压，一种是用来处理因峰值电流导致磁芯饱和，另一种是用来处理由平均电流引起的发热问题.

2.4饱和电流

电感电流对磁心的影响很大，通常情况下，DC-DC转换器的电流波形中都有一个 DC成分，这个 DC成分会在电感作用下偏置磁芯，造成它的磁通链饱和。在饱和状态下，电感值会降低，电感的工作性质也会随之降低。所以，在选择电感时，必须明确电感的定义，在某些定义中，饱和电流是指电感值降低10%到20%的电流值，另一些定义是电感值降低50%时的电流值。根据前面计算所确定的电感直流分量以及所选择的脉动分量，可以确定其峰值，该值应该小于所选择电感的饱和电流，使得设计留有一定的裕量，能够稳定工作.

2.5RMS电流

RMS电流会使设备发热，这个电流被用来衡量多少平均电流可以在满足一定的温度上升的条件下持续地通过电感。而设备的数据手册则提供了直流或低压的额定电压.这并不能解释在高频率下发生的事情。在选用电感时，要注意它的工作温度，在额定工作范围内是否能工作。从先前的计算中得到的电感 DC成分和选定的脉冲成分，可以将电感 DC成分与脉冲成分的1/4近似为它的平均电流，这个数值应当比选定的电感的平均方根电流小，这样设计就有了足够的余量，可以稳定地工作.

3结论

在此基础上，采用周期平均电流方法求出了电容和负载电流之间的对应关系，由此得出了感应电流的 DC分量；从稳态时感应电流的波形出发，从10%至20%的脉冲电流（与直流成分相关）来确定电感值；利用感应电流的 DC分量和脉冲分量，计算出电感的饱和电流与均匀电流，并预留一定的余量；自共振频率比切换频率高得多；大量的工程实践证明，用上述方法来选取功率电感，可以满足大部分开关电源的使用要求，并且工作性能优良。

参考文献

［1］黄海宏，刘鑫，薛欢，等．基于载波相移技术的H桥级联高压APF研究［J］．电子测量与仪器学报，2012，26(8):687-692．

［2］刘春喜，马伟明，孙驰，等．大容量400Hz逆变器输出LC滤波器设计和低次谐波抑制［J］．电工技术学报，2011，6(6):129-136．