1引言 本文提出一种用内线圈型（外磁心型）平面电感器磁饱和的过电流检测法，用于开关电源等高频功率变换电路。其原理是用设置在外磁心外侧表面上的探测线圈拾取由过电流时的磁饱和产生的交流漏磁通。如果用这种方法，在不产生磁饱和主电路电流时，由于外磁心的磁屏蔽，探测线圈与主电路分离，几乎不产生插入损耗。此外，在额定电流范围内，电感器起通常的储能作用，只有在外加探测线圈时才产生过电流信号这种新功能。但是，目前将这种方法用于电源电路时，对详细的过电流检测特性还有许多不清楚的地方。 本研究中，研讨将试制的平面电感器用于降压斩波器直流变换器时的过电流检测特性。下面阐述平面电感器的过电流检测原理，试制的平面电感器的特性以及用于降压直流变换器时的过电流检测特性。 2平面电感器的过电流检测 2.1平面电感器的结构 图1表示试制的平面电感器基本结构。内线圈用两层螺形线圈，用上下磁性层将其夹住。制作电感器所用的各种材料的规格示于表1。下磁性层采用的开关电源开发的厚500μm的MnZn铁氧体，上磁性层采用厚15μm的Co基非晶薄带三层相叠而成。在上磁性层的外侧表面设置与内线圈相同的两层线圈作探测线圈。 2.2过电流检测原理 通常，内线圈型平面电感器，由于上下磁性层的磁屏蔽效应，在不引起磁饱和的线圈电流范围内，向外部的漏磁通很少。如果采用图1所示的电感器结构，非晶薄带的磁路截面积比铁氧体的小得多。因此，可以认为，在过电流时上部非晶薄带先产生磁饱和。 图2表示考虑磁饱和，采用有限元分析计算所得的轴对称1/2模型中的磁通分布。该图（a）表示内线圈电流小，上下磁性层的磁屏蔽有效的情况；（b）仅仅上磁性层产生饱和的情况。在内线圈流过大的电流时，上部的非晶叠层比下部的铁氧体先饱和，磁通漏到上部空间。在内线圈电非常大时，上下磁性层都产生磁饱和，此时磁通会漏到上下外部空间，图中没有画出。 图2中的Ico表示上部非晶层产生磁饱和的临界线圈电流。本文把超过Ico的线圈电流称为过电流。在交流线圈电流超过临界电流Ico的过电流期间，磁通从上部非晶层漏出。这些漏磁通与探测线圈交链而感应出电压。因此，可以探测线圈的感应电压来判断过电流状态。 2.3用磁特性内折线近似说明工作原理 为简化计，如图3所示，将平面电感器磁路的特性（交链磁通数ψ~线圈电流ic）用折线近似表示。图中直流的斜率相当于内线圈的自感。在线圈电流ic小于磁饱和临界电流Ico的范围内，上部非晶层的磁屏蔽是完全的，可忽略内线圈和外侧探测线圈的磁耦合，将两者的互感M看作零。 图4表示内线圈电感Lc以及其与探测线圈的互感M和线圈电流的近似关系。Ln是上下磁心都不饱和的情况下的自感；Ls和Ms是线圈电流超过Ico时的饱和自感和饱和互感。如果设内线圈的交流外加电压为vc，探测线圈内感生电压为vs，内线圈电流为ic，则下列关系成立： vc=d（Lcic）/dt， vs=d（Mcic）/dt， (1) 严格说来，vc中必须考虑伴随损耗电阻的分量，但认为Q比1大得多，因此这个分量可忽略。因此由（1）式可得出M的表达式： (2) 测量Lc，并观测vs和vc，可实验求得M的值。式中的vS和vc的积分计算利用数字式示波器的演算功能即可。 3在降压斩波器直流变换器上的应用 3.1动作分析 假设平面电感器的非线性特性可用图3和图4近似表述，讨论用于降压斩波器直流变换器时的过电流检测特性。图5表示降压直流变换器的分析等效电路；表2示出其分析参数。为简单计，将用作开关的MOS-FET看作理想开关；忽略平面电感器的损耗电阻。二极管的正向电压降为Vf。 3.2过电流检测 平面电感器的内线圈电流ic上重叠有相当于变换器输出电流Io的直流电流。如果ic超过磁饱和临界电流Ico，内线圈与探测线圈产生磁耦合，在探测线圈中感生电压vs。图6表示这种情况的模型。半导体开关从导通转换到截止时，ic取峰值，在其前后，dic/dt从正转到负，在探测线圈感生出正负电压脉冲。 假设平面电感器的Lc和M与ic的关系如图4所示，采用半导体开关“导通”和“截止”时降压斩波器直流变换器的等致电路（图5）可导出过电流检测参数。 平面电感器的线圈电流ic不等于磁饱和临界电流Ico时，变换器的临界输出电流Ioc由下式表示： (3) 式中，D是半导体开关占空比（TON/T，T是开关周期），可用下式表示： (4) Ioc表示电感器在额定电流以内工作时变换器输出电流的上限。 平面电感器的内线圈电流ic超过磁饱和临界电流Ico时，探测线圈中感应的正负电压脉冲峰值由下式给出： (5) (6) 这些电压脉冲的脉宽由下式给出： (7) (8) 式中： ， 变换器输出电流Io超过其临界值Ioc时，探测线圈中感应正负电压脉冲，但此时的脉冲峰值与Io无关，为定值；脉宽随Io超过其临界值Ioc时，探测线圈中感应正负电压脉冲，但此时的脉冲峰值与Io无关，为定值；脉宽随Io的增大而变宽。当变换器的输入输出电压和开关频率及其参数已知时，通过设定平面电感器的参数，使变换器临界输出电流Ioc与额定电流一致，就能在超过Ioc的过载条冲下，电感器产生过电流脉冲信号，检测出过载状态。 4平面电感器的特性 4.1小信号频率特性 图7表示平面电感器的小信号频率特性的测量结果。当f=500kHz时而电流值Lc约为11.2μH；Q≈4。Q值的最大值约为7（f=100kHz）。 4.2直流叠加特性 图8表示内线圈Lc和探测线圈的互感M的直流叠加特性的测量结果。电感的测量频率为500kHz。以300mA左右的直流叠加电流为界，Lc在此时急剧下降，在600mA时达到定值。图8中的实践是仿照图4的例子，得到的自感和互感的近似曲线，在300mA的临界电流附近，实验值的近似曲线的差异增大。但可以认为，这对用于变换器时的过电流检测特性的定性讨论，不会有大的问题。 5用于降压直流变换器的实验 将试制的平面电感器用于额定功率1.5W、500kHz开关频率的脉宽调制控制降压斩波器直流变换器，进行了确认过电流检测功能的实验。输入电压Vi=5V，输出电压V0=3V。变换器的电路及构成元件的大致规格示于表3。 图9表示变换器输出电流I0=300mA时平面电感器的线圈电流ic和探测线圈感生电压vs的波形之一例。明显观测到对应于电感器的过电流，探测线圈中产生正负电压脉冲的情况。 图10表示开关“导通”期间产生的探测线圈电压脉冲峰值VS1及期脉宽TS1与变换器输出电流IO的关系。电压脉冲不成理想的矩形，因此，以脉冲前沿的10%~90%的期间为脉冲宽度TS1。以Io=mA为界VS1和TS1迅速上升；在Io>300mA时，VS1大致为定值。由（3）计算的变换器临界输出电流Ioc≈190mA，与实验结果大致一致。图10中的虚线是用3.2节所述方法的计算值。由于以变换器临界输出电源Ioc为界不连续地产生电压脉冲是一个近似模型。因此，在Ioc附近计算值和实验值的偏差大。但总的趋势两者对应良好。 6结论 本文阐述了平面电感器的过电流检测原理和用于降压直流变换器时的过电流检测特性。本方法的特点是在额定电流以内电感器插入损耗极小；过电流时的信号电压高，因此，灵敏度高，信噪比高；过电流信号的产生是自律的，可吸收电感器饱和特性的离散。今后将进行更详细的研讨，包括过电流保护控制。 参考文献 日本应用磁气学会志，2001年25卷4-2期，991-994页