磁芯在开关电源变换器中的工作原理及应用

本文主要介绍了开关电源中磁性元器件的工作原理，特别是变换器中磁芯的不同工作状态，以Buck变换器为例进行了详细解析。 在开关电源中，磁性元件如磁芯扮演着至关重要的角色。它们在功率转换过程中承担着能量存储和传递的任务。磁芯的工作状态主要分为四类，其中包括Buck变换器滤波电感所代表的Ⅰ类工作状态。Buck变换器是一种常用的直流-直流变换器，通过调整功率开关的占空比来调节输出电压。其基本电路包括一个电感L，一个功率开关S，一个续流二极管D以及输出电容和负载。 在电流连续状态下，当开关S闭合时，输入电压Ui减去输出电压Uo的差值加在电感L上，电感电流线性增加。当开关S打开时，电感产生的反向感应电势迫使二极管D导通，将电感中的能量传输至输出，电感电流线性下降。电感电流的平均值等于输出电流Io，这种工作模式下输出电压与占空度成比例，即Uo = D*Ui。 随着负载电流的减少，电感电流会进入临界连续状态，此时输出电压保持稳定，但电流变化量减小，最终可能会进入电流断续状态。在电流断续时，电感电流在每个周期内的部分时间变为零，这使得功率开关在零电流条件下开通，二极管在零电流下关断，降低了开关损耗。同时，较小的电感量可以实现更小的体积和更好的动态性能。 然而，电流断续模式下，电感中存储的能量在开关导通时并不恒定，根据式(5-1)，能量的传输依赖于峰值电流Ip。这种状态对磁性元件的设计提出了挑战，因为需要确保在截止时间内能将存储的能量完全转移到负载。 此外，文章还提到了磁的基本概念，如磁感应强度、磁通、磁导率等，以及电路中的自感、互感和变压器等磁性元件的工作原理。磁性元器件的选择和设计对于开关电源的效率、稳定性及尺寸优化至关重要。 变换器中磁芯的工作状态直接影响到开关电源的性能和效率，理解这些工作状态对于设计和分析开关电源系统具有重要意义。不同的工作状态要求磁性元件具有不同的特性，如电感值、磁饱和特性和温升特性等，因此在实际应用中需根据具体需求进行选择和优化。