开关变流器中电感电容元件描述

开关变流器中除功率半导体器件(GTR、功率MOSFET、IGBT、功率二极管等)、集成控制器和电阻电容之外，还有一类必不可少的关键元件——磁性元件。磁性元件在开关变流器中的应用非常广泛，如滤波电感、谐振电感、吸收电路中的限流电感、自饱和电感、隔离或升降压变压器、阻抗变换器、电流／电压检测器、磁调节元件(可控饱和电感，又称磁放大器)等，担负着磁能的传递、储存以及滤波等功能，如图1所示。 由于表征磁性元件的性能指标参数很多．如电压、电流、频率、电感量、能量、匝比、漏感、损耗、温度等，使得制造商很难制选出合乎规范的标准磁性元件，大多数磁性元件需要自行设计或提供参数委托设计、加工。所以，磁性元件的设计在开关变流器的设计中起着关键作用，因而，开关变流器设计者必须掌握一定的磁学知识。
开关变流器的高频磁技术是以电磁理论为基础，探讨各类开关变流器的磁性元件在高频正弦波、方波或任意波形电压激励下所产生的特殊问题，是电力电子学科与电器学科的前沿交叉研究内容。随着现代电力电子技术向高频化、绿色化、集成制造、平面化以及高功率密
度方向发展，对磁性元件提出了更高的要求。
开关变流器中的电感和电容
开关变流器中，电感元件的主要作用包括：①储能、平波、滤波；②抑制尖峰电压或电流，保护易受电压、电流损坏的电子元器件；③与电容元件构成谐振回路，产生方向交变的电压或电流。
电感及电容是组成开关变流器的主要元件，两者均为储能元件。
由于“磁通连续”性，电感上的电流必须是连续的，不能突变，否则将会产生很大的电压尖峰。因此，电感常用于平滑电流，也称它为扼流圈，其特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。而在开关变流器中，能量从输入到输出的传输就是通过电感来完成的。
电容与电感一样，也是开关变流器中传递电能的主要元件，电容上的电压必须是连续的，不能突变，否则将会产生很大的电流尖峰，因此，电容常用于“吸收”电压纹波，具有平滑电压波形的作用。
对于电容与电感，在开关变流器的分析中需要用到两个基本原理：电容的安秒平衡原理与电感的伏秒平衡定理，下面分别进行论述。
1 电容的安秒平衡
开关变流器中的开关受PWM控制器的控制，周期性地开通和关断，其中的电容也有规律地充电、放电，其充、放电电流满足 式中，ic（t）、vc（t）分别为电容电流和电压。
在一个开关周期中对上式积分，可得 式中，Ts为开关周期。
当变换器处于稳态时，电容在一个开关周期开始时的电压值一定等于结束时的电压值，即一个开关周期电容电压的净变化量必须为零(上式的积分为零)，即有 由此得出结论：在稳态条件下，电容电压在每一个开关周期内重复相同的波形，因此每一开关周期中相同相位的电容电压值相等，即每一开关周期开始时刻的电压值相等。
同时可得电容电流在一个开关周期内的平均Ic为 可见，在稳态时，一个开关周期中电容电流的积分(安秒)应为零，即电容电流在一个开关周期内的平均值为零，这就是电容的安秒平衡。
2．电感的伏秒平衡
当开关变流器处于稳态时，电路中的电压、电流等变量都是按开关周期严格重复的，因此每一开关周期开始时的电感电流值必然都是相等的，故开关周期开始时的电感电流值等于上一个开关周期结束时的电感电流值。基于此，即可得出开关变流器处于稳态的条件——电感的伙秒平衡。
对于电感 式中，v_L(t)、i_L(t)分别为电感电压和电流。
在一个周期内积分，可得 即稳态时电感电压的周期积分为零 上式表示，电感两端电压在一个开关周期内的平均值等于零。上式右边的单位是伏秒或磁链，因此可得，在一个开关周期电感的净伏秒必须为零，即电感的伏秒平衡。