电力电子

第9篇为开关电源的能源传导提供支持的电子元件

如果说汽车中的主角是发动机，那电源中的主角就是变压器。以前的线性电源采用笨重的大型变压器，而开关电源则采用更小巧轻便的款式。此外，开关电源最重要的特点就是能源转换效率远超以往。可以说变压器的设计左右着电源的性能。

不仅电容器，线圈也能储存能量
为何必须避免核心的“磁饱和”？
绝缘型DC-DC转换器分为ON/OFF式和ON/ON式

不仅电容器，线圈也能储存能量

人类摄取的食物会以肝糖和脂肪的形式储存在体内，用于肌肉和脑部活动。电子设备中负责暂时储存能源的便是电容器和线圈（电感器）。电容器正如其名，基本功能之一就是储蓄电荷。有些简易DC-DC转换器是由多个电容器和集成电路组成的。通过集成电路的开关切换，将充电的电容器连接起来，构成的变压用DC-DC转换器被称作电荷泵。电荷泵被用作手机显示屏的背光电源等，虽然简易但不擅长输出大电流，效率也不太高。因此，手机等设备还常采用包含线圈（功率线圈、功率电感器）的小型DC-DC转换器。那么，线圈为何能储存能量呢？
电容器和线圈有着相反的性质。不通直流通交流是电容器的基本功能之一。线圈则相反，通直流但抵抗交流。它的原理是电磁诱导。针对变动的交流电，线圈会产生妨碍变动的磁场，从而诱发电动力（电压）。这称为自我诱导现象，此时的线圈行为强度称为阻抗。
作为交流电的电阻使用的线圈，被称作扼流圈，取自“扼制”（Choke）的含义。荧光灯的稳定器也是一种扼流圈。从按下开关到辉光启动器的接触点变为OFF的瞬间，稳定器的线圈会一口气放出积蓄的能量，点亮荧光管。
线圈的阻抗与线圈的圈数和贯穿线圈的磁场成比例。扼流圈的核心采用硅钢、铁氧体、铁硅铝合金、非晶合金等软磁体。这种磁体会像海绵吸水一样，强力吸收磁场，提高线圈的阻抗，使其实现小型化。饱和磁通量密度表示吸收的磁通量有多少，透磁率便是吸收磁通量的容易程度。

为何必须避免核心的“磁饱和”？

硅钢板等的铁类核心材料的饱和磁通量密度大，因此常用作电磁铁或者马达、杆上变压器的铁芯。话说回来，开关式电源流动的是几十kHz以上的高频电流。因此扼流圈和变压器的磁芯无法使用金属材料。这是因为金属磁芯的电阻率较低，发热导致的能量损耗大。这称为“铁损”。于是，开关式电源磁芯会采用铁氧体、铁硅铝合金、非晶合金等。
对核心缠绕卷线的线圈来说，重要的是“磁饱和”现象。表示体的磁化过程的曲线是形状为独特S形闭环的磁滞曲线（B-H曲线）。闭环的倾斜程度表示透磁率，透磁率高的核心，其曲线在小电流下就会快速升高。
扼流圈多采用环状（甜甜圈状）核心加卷线的形式。环状核心是闭环磁路，周围不会产生泄露磁通量。逐渐增大卷线内电流，增加核心承受的磁场强度，核心内部的磁通量密度就会逐渐上升，最终到达峰值。这个值称为饱和磁感应强度。超过饱和磁感应强度后，在核心内流通大电流就可能损坏开关元件，而在核心内加入间隙就能避免这点。因为空气的透磁率远小于核心材料，其磁阻很大，可防止磁饱和。此外，这也有利于扼流圈的小型化。不过，间隙处会产生泄露磁通量，需要采取措施应对。泄露磁通量会和其它部件产生磁性结合，是造成噪声等问题的原因之一。

绝缘型DC-DC转换器分为ON/OFF式和ON/ON式

变压器也是利用了电磁诱导的电力设备。通过核心将电源端卷线的磁通量变化传导到负载端，负载端卷线就会产生电动力（相互诱导现象）。中、大容量的DC-DC转换器大多数采用变压器将输入和输出端隔绝，也被称为绝缘型。根据输入到输出的能量传导方式，绝缘型DC-DC转换器可大致分为ON/OFF式和ON/ON式。
ON/OFF式的开关元件在OFF时会将能量传导到输出端，ON/ON式的开关元件则是在ON时传导能量。光看这点还分不清什么差别，下面来看变压器和扼流线圈的原理差异，这样就能理解了。
例如，输出功率约为50W以下的绝缘型DC-DC转换器，大多为ON/OFF式，具体称为RCC式或自激式反激转换器。开关为ON时，电源端卷线流动的电流会为变压器核心储蓄激磁能量。此时负载端尚未收到能量，但在开关为OFF时，线圈的自我诱导现象会在卷线中造成电动力，从而将能量传导到输出端。RCC式会将变压器电源端的基础卷线的电流传导到开关元件，使其振荡。自激式与将振荡电路内置在别处的他激式不同，只需要少数元件，但变压器的核心达到磁饱和时，开关元件有损坏的风险。为此，变压器核心中设有间隙。
属于ON/ON式的正激式、可推式、半桥式、全桥式等DC-DC转换器在开关为ON时，会通过变压器从输入端向输出端传导能量。激磁能量较小，因此无需在变压器中设置间隙。在这种方式中，负有重要任务的是负载端的扼流圈。开关为OFF时，变压器卷线的电流被阻断，但此时扼流线圈储蓄的能量会被释放。
从电源输入到输出的能量传导过程中，变压器和扼流圈承担了重大的责任，不知读者是否理解了呢？TDK提供低磁芯损耗、高性能的各种铁氧体磁芯材料。凭借先进的磁模拟等技术，我们将核心形状、卷线形状、屏蔽设计等进一步优化。正是它们强有力地支持着电力电子设备的小型、轻量、高效化。