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[DCDC] (DC-DC)电感电流“三兄弟”,极限条件来学习

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火星国务卿|  楼主 | 2021-6-29 09:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 火星国务卿 于 2021-6-29 09:50 编辑

#申请原创#
在上次的DC-DC转换原理中介绍到磁性元器件电感,电感在DC-DC转换电路中的地位十分重要,想要完美的设计DC-DC电路,肯定要对电感的电流特性以及相关定义非常熟悉,下面我们就一起学习电感中一些重要的电流参数!
我也是一边学习,一边跟大家分享我的学习成果,所以还是那句话,本人水平有限,如果有哪里讲的不对的地方还请各位看官大佬及时指正,互相学习,共同进步!
那我们言归正传,首先,电感在DC-DC电路中应用时,因为每个拓扑都是会达到动态平衡状态,也就是电感的在周期内的电流增量等于电流减量△I_ON=△I_OFF。

它在电路中的电流表现就如下图所示:

749960da73ef5fc47.png

由图可见:电感在动态平衡的电流波形中,引出三个重要的电流参数定义:

交流电流  直流电流  峰值电流 三兄弟理解这三个电流参数意义重大。

交流分量电流:I_AC=△I/2 这里的△I也就是电感在充电,放电过程中的电流增减量,也就是图中电流的最高点与最低点的差值,交流分量电流也就是△I的一半,当然电感只有在电流不断变化的过程中才会产生感生电压,法拉第电磁定律相信大家都并不陌生。

直流分量电流:I_DC也就是平均电感电流,也是图中的I_L该电流值与负载电流I_O的关系,在上次DC-DC的转换原理中也做了介绍,在这需要特别注意的是(I_DC=I_O,降压电路)。(I_DC=I_O/(1-D)升压电路,升降压电路)。这里可能有小伙伴会问,为什么这三种电路的电感平均电流与负载电流的关系式有区别呢?这个其实很简单,是由于电感在电路中的位置所决定的,可以回过头三种转换电路的电路图,你就很轻松的理解了。

峰值电流:I_pk=I_DC+I_AC 电感的峰值电流也就是直流分量与交流分量的叠加值,这个时候你可能会问?这个峰值电流有什么意义呢?对我们的设计有什么影响?
很显然,峰值电流对我们设计意义重大,参与设计的小伙伴都知道,极限值在我们电路设计中占有极具重要的意义,电感的峰值电流大小不仅影响着你前端开关管的极限能力,而且影响电感的磁场强度,没有用过电感的小伙伴可能不知道,电感的峰值电流跟磁场强度有关系,当磁场强度高于某个值时,电感会饱和,电感如果一旦饱和的话,就失去了对电流的限制作用,所以峰值电流这个参数相当重要,我们在实际的应用中要确保电感不会发生饱和。

写到这里不用我说,也肯定会有小伙伴们开始发问了?我们在实际的设计应用中?怎么考虑这些极限条件?换句话说,什么时候会出现这些极限条件呢?
我们马上开始分析一下,相信大家都知道,在我们实际的设计当中,输入电压基本上不会是一个定值,它肯定是一个范围值,那么我们肯定要在这个输入电压的范围内找到对应的极限电感相关参数,也就是说我们需要分析一下在输入电压最小或者最大这两个极限值的情况下,那电感的交流电流 直流电流 峰值电流 这三兄弟都是怎样随之变化的呢?

我们以下面的图为例来进行分析:

降压:首先我们在保证输出电压输出电流都不变的情况下升高输入电压的话,那接下来会产生怎样的变化呢?
2539360da75640c130.png

从上图中我们可以看出,升高了输入电压后,电感电流上升沿的斜率变大了,电感的直流分量没有变化,峰值电流提高了,为了理解为什么会有这样的变化,我们从公式以及原理上面来进行分析,这里应用到一个之前讲过的重要的公式:V=L*△I/△t 推导出电流与电压时间的公式:
△I=V*△t/L 那不管是电流上升还是下降,这条线的斜率就是V/L同时也等于△I/t
上升沿:输入电压升高那么也就是VON/L增大,所以斜率变大。
下降沿:输出电压不变,即VOFF/L没有变化,也就是斜率没有发生变化。
但是输入电压升高之后,输出电压不变的话,那么变换器肯定要调节减小占空比,这时候有可能一些小伙伴可能不理解这是为什么?其实很简单一个高电压跟一个低电压,降到一个同样的电压值的话,那肯定是高电压的情况电感放电时时间会长一点,也就是t_OFF的时间会变大,上面讲到斜率就是V/L同时也等于△I/t,V_OFF/L=△I/t_OFF V_OFF没有变化,L没有变化,那就说明△I/t_OFF没有变化,而t_OFF是增大了,那△I必然会成比例增加,至此就公式跟原理完美的跟上图中电感的电流变化相吻合了,这里讲解的非常的细致,对于初学者来说理解起来相当的容易了。

那么总结一下:对于降压变换器来讲:

增加输入电压电感的直流分量并不会发生改变,因为负载没有发生变化(I_DC=I_O)。
增加输入电压电感的交流分量△I变大。
增加输入电压电感的峰值电流等于直流分量与交流分量的和,那峰值电流也会增大。

升降压:
4111260da75a676bb2.png

对于升降压电路其实也是一样的原理,当然讨论前提也是输出电压不变,输出电流不变,输入电压升高之后,为了维持之前输出电压,占空比肯定会降低,t_OFF增加,V_OFF/L不变,V_OFF/L=△I/t_OFF 综合推断,△I肯定也会增加。直流分量在上次介绍DC-DC转换原理的文章里我们知道I_DC=I_O/(1-D)那占空比降低了的话,别忘记了我们的前提条件是负载电流不发生变化,那这样的话,I_DC肯定要随着占空比的减小而减小。
对于峰值电流直流分量的减少量要比交流分量的增加量要多,所以峰值电流变化结果与直流分量变化结果一致。


那么同样的总结下来就是:对于升降压变换器来讲:

增加输入电压电感的直流分量会减小。
增加输入电压电感的交流分量△I变大。
增加输入电压电感的峰值电流等于直流分量与交流分量的和,直流变化占主导,峰值电流减小。

升压:
同样的情况,输入电压的升高会导致占空比减小,同样的公式V_OFF/L=△I/t_OFF
那么占空比减小的话,t_OFF肯定会增加,V_OFF=(VO-VIN)VIN增加,整体值会减小,t_OFF如果增加的话,如果△I减小,最终结果是减小,但如果△I是增加,但它增加的速度比t_OFF增加的幅度小的话,最终结果也是整体值减小了。这两种情况都有可能发生。
据调查相关资料指出:当占空比小于和大于0.5时,△I分别对应增加和减小。
这里涉及很复杂的数学推导,楼主能力有限,小伙伴们自行查阅吧,哈哈。直流分量变化与升降压原理相同,不再重复分析。

那么同样的总结下来就是:对于升压变换器来讲:

增加输入电压电感的直流分量会减小。
增加输入电压电感的交流分量△I有可能变大,也有可能变小。
增加输入电压电感的峰值电流等于直流分量与交流分量的和,直流分量变化占主导,峰值电流减小。

电感的相关电流变化,大家可以参阅下面的模拟图:

5570060da75fe2fee7.png

8290760da76068c72a.png

2004860da761130a4d.png


至此,完成了对电感相关电流参数的简介,最终我们得出的结论是:

1.  降压拓扑在进行电感设计时,从极限条件输入电压最大来进行设计。
2.  升压,升降压拓扑电路电感设计时,从极限条件输入电压最小来进行设计。

不知道有没有将交流电流 直流电流 峰值电流三兄弟以及极限情况考虑给大家解释清楚,总而言之,我们只有充分理解这三个参数并理解在哪些极限条件下应用这三个参数来进行拓扑电路设计,才能设计出合理安全可靠的拓扑结构,以上是我个人的一些浅显的理解,目的在于跟大家一起分享学习成功,希望能与大家一起共同进步,特注:本人水平有限,如果有不合理的地方希望各位大佬帮忙指正,万分感谢。







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21小跑堂 打赏了 100.00 元 2021-06-29
理由:恭喜通过原创奖文章审核!请多多加油哦!

评论

jia_jia 2021-7-8 12:48 回复TA
很棒!!!非常需要!!! 

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lsm12502| | 2021-7-6 15:44 | 显示全部楼层
又是DC-DC的好文章,收藏啦!

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