Research on Inductance for SCR Inverter Power Circuit

Shuzhi ZHANG1, Yufu DENG2, Xin SHAO3, Yue MA4

1College of physics science and technology, Shenyang normal university, Shenyang, China 2College of physics science and technology, Shenyang normal university, Shenyang, China 3College of physics science and technology, Shenyang normal university, Shenyang, China 4College of physics science and technology, Shenyang normal university, Shenyang, China

Email: dengyufu@21cn.com

Abstract: The characteristics of inductance were investigated in SCR inverter power circuit. Calculated re-sults show that the value of the inductance is dependent on the input voltage, the input current, and the fre-quency during the operation of the converter circuit. This provides an available suggestion for the design of SCR converting circuit under different applied conditions.

Keywords: high-voltage power supply; inductance; energy storage

一种可控硅逆变电源电路中电感参数的研究

张树志 1，邓玉福 2，邵欣 3，马跃 4

1沈阳师范大学物理科学与技术学院，沈阳，中国，110034 2沈阳师范大学物理科学与技术学院，沈阳，中国，110034 3沈阳师范大学物理科学与技术学院，沈阳，中国，110034 4沈阳师范大学物理科学与技术学院，沈阳，中国，110034

Email: dengyufu@21cn.com

摘 要:本文分析电感在可控硅逆变电路中的应用，计算得出此电路需要的电感感量，为电路中电感参

数的设计，提供了理论依据。

关键词: 逆变电路;电感;储能 1. 前言

电感具有滤波、震荡、储能、陷波、延迟等功能，

因此在电子电路中有着非常广泛的应用。本文针对一

种应用逆变技术，采用快速逆导晶闸管设计出的电源

电路，对其中电感元件的作用进行了研究和分析，从

理论上推导出电感的计算公式，并根据电路的实际工

作情况对所需电感的最小感量进行了预测。实验结果

表明依据理论计算值绕制的电感量完全能满足逆变电

路的工作要求，且减小了电源设计体积，也避免了不

必要的线材浪费。

2. 电路工作原理 如图 1 所示，逆变部分由电感 L、逆导晶闸管

S3900MF、电容器 C 和高频变压器 T组成。脉冲震荡由TL494 提供， TL494 产生 5KHZ 的电压脉冲，加在

L

s3900MF

CT

in+

in-

直流输入

脉冲输入

Figure 1. Circuit diagram of SCR inverter

图 1. 可控硅逆变电路原理图

S3900MF 的控制极，当脉冲未到来时，电源通过电感L 给电容 C 充电，将电能储存在 C 中，当脉冲到来时，可控硅导通，逆变部分中的 C 和高频变压器的原边组成 LC 震荡电路，当一个周期的震荡结束后，S3900MF即关断。

资助信息：辽宁省自然科学基金项目（20092069）和沈阳师范大学

实验中心主任基金项目（SYZX01）资助课题

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3. 电感的作用及感量计算

当 S3900MF 导通时，逆变电路中供电电源、电感L 及 S3900MF 构成回路。由于 S3900MF 不断的导通和关断，流过电路的电流是脉动的，而电感对这种变

化的电流有阻碍作用，故可在此处加上电感元件，以

使在 S3900MF 导通时，电源对电感 L 充电储能，从而避免了电源过流短路。

由以上分析可知，在 S3900MF 导通时，电源释放的电能储存在电感中，考虑到电感的延迟作用，可知 i是随时间变化的，所以电源提供的能量采用积分形式，

即有：

2

21 LIUidt (1)

式中：i 为电源输出电流，即流过电感的电流；U为电源电压； I 为充电稳定后的电流。方程右端为电感储能公式，当电流 I 稳定后能量以磁能的形式存储在电感中。实验观察也发现，若电感断开连接，电感

中的能量将释放，有明显的电火花产生。 下面推导出 i 随时间变化的函数： 设电感 L 和导通后的 S3900MF 串联的等效电阻

为 0R ,电源电压为U ,该段电路中电感的自感电动势为 ,则

dtdiL

当 S3900MF 导通后，则通过电感 L 的电流 i 应为2：

0

1)(Rdt

diLUi (2)

解此方程可得：

)1(0

0

LtR

eRUi

(3)

可见流过电感的电流是随 t 按指数规律变化的，且 0)0( i 。在实验中可以验证流过电感的电流是变化的，即在电感后面串联一只 15 欧的电阻，用示波器观测电阻两端的电压，波形如图 2 所示。

由图 2 可知，流过电感的电流是周期脉动的直流，任取一个周期，将最大电流值记为 mI ，对应的时刻记为 0t ，见图 3。可见，在 0 到 0t 时间内 S3900MF 导通，电源给电感充电储能，流过电感的电流逐渐增加， 0t

时刻，S3900MF 关断，由于电感的续流作用，此时电感等效于电源，向电容充电。

Figure 2. The voltage waveform of resistance

图 2. 电阻两端电压波形图

t(us)

I(uA)

0t

mI

Figure 3. The current waveform of the inductance

图 3. 流过电感的电流波形示意图

显然，通过积分计算电源释放的能量，可根据(1)式可求出电感 L 的值。但是，这样的计算比较繁琐，因为电路中的 t 很小，通常小于 0.1 毫秒。因此，可假设在如此短的时间内，电流可以近似看成是线性变化，

即 kti 。

在 0t 时刻电流为 mI ，则0t

Ik m ，所以可将(1)

式等号左端积分：

00

0 21

0 tUItdttIU mm

t (4)

这样(1)式为：

20 2

121

mm LItUI (5)

解得：

IUtL 0 (6)

0t 为 S3900MF 导通与截止的临界时刻，其值与

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逆变电路中的 LC 震荡频率有关。可见(6)式与电感方程有一致的形式3。

4. 绕制电感

理论上确定了电感的感量之后，就可以绕制电感。

电感的经验公式为4：

lANL

2

式中：L 为电感量；为磁芯磁导率；N 为线圈匝数； A为磁芯横截面积； l 为磁芯磁路长度。

在实际的工作中，我门采用铁氧体磁芯，但是不

同材料的铁氧体会有不同的值及 A和 l 值，使得应用此公式比较麻烦。所以我们采取如下简便办法：

由于公式中的lA部分是由磁芯决定的，可以看

成是一个关于磁芯的常数，记为C 。 这样，上面的公式就成了

2CNL ,于是电感量L 就只与匝数 N 有关，我们可以选定一副磁芯，选用导线绕制十匝，测出电感值，经过计算得知此副磁芯的C 值，然后根据(6)式计算出的所需电感量，进而计算出导线的匝数。在此需要注意两点：

（1）导线截面的选取。对于一定感量的电感，选用的导线截面越大，电感体积则越大，这是不必要的

浪费，所以应在电路允许的情况下，尽量采用小截面的导线，通常的经验是：对于漆包线，每平方毫米可以承受 2.5—3.0A 的电流。

（2）在磁芯间要加磁隙。加磁隙的作用是增加磁芯漏感，防止磁芯饱和，从而增大电感的最大流过电流以达到增大储能的目的。由电感的储能公式可知，

要想增大储能，可以增加电感量 L 或者增加流过电感的电流 I ，在磁芯确定的情况下，增大 L 的办法只能是增加线圈匝数 N ，但这样会使电感的整体体积变大。另一种办法就是增大 I ，加磁隙可达到这个目的，具体原因推导如下。

磁通匝链数可表示为：

IL (7)

又 BAN ， RINIL 2

故可得：

mRNIBA / (8)

式中： B 指磁感应强度的变化量； mR 为磁阻，是C 的倒数，即

AlRm

(9)

由(8)式可知，左边为常数，这样如果想要电流 I 增大，就得增大磁阻 mR ，而增加磁隙会使磁路长度 l 增大，并且使磁芯整体的磁导率减小，从而达到增大磁阻的目的（见 9 式）。

5. 实验结果及分析

在实际电路中，负载设定为 LR 0.7Ω，额定功率为 20W，电路的效率为 90%，变压器的初次级匝数比为 20：6， 0t =60us；可算得负载的最大电流为 5.3A，初级线圈的电流为 5.30.3=1.59A，近似等于电感的最大电流值 mI ，电源输入功率为 22W，输入电压U=13.8V；将所得数据代入(6)式：

52.059.1

10608.13 6

L mH

可知对于此种容量的电源电路，0.52mH 的电感已能满足工作需要，在实验中我们采用 0.7mH的电感，电路工作正常。

需要注意的是，上述计算的结果只是在于给出该

逆变电路电感量设计的一个下限，由于电感自感电动

势的存在，导致流过电感的电流会随着连入电路中的

不同电感而有不同的值，而在计算中，我们忽略这种

变化，只采用电路所能承受的最大电流值作为 mI ，并且电路的工作频率对电感的选择影响很大，这些在精

确测量中必须加以考虑。

6. 结束语 本文研究了电感元件在可控硅逆变电源电路中的

应用，推导出计算感量的公式，对此类电路中所需电

感的最小感量做出了预测。实验结果证明，据此法绕

制的电感，电路工作正常，这对于逆变电路中电感元

件的选取有一定的指导意义。

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[3] Sanjaya Maniktala．Switching Power Supplies AtoZ，Post & telecom press．

[4] Ji cairui．The discussion of High-powered magnetic core in-ductance measuring method of industry．Power Supply Tech-nologies and Applications，11，2008，The seventh．

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