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充电阶段及感应电流理论

绝大部分工程师直觉上对长期在他们脑海中形成的电容充电情形非常认同--电容储存的能量会试图抵制外部能量进入电容,直到趋于平衡状态,充电电流降为0。此情形直观上也是被证明了的,因为它与众实际生活中情景极其类似,如在交通繁忙时刻一辆拥挤的公交车停靠站台时,能够卡车的旅客数量既依赖于公交车的容量,又取决于旅客卡车的急切度(电容中为充电电压)。

电感充电电路(即开关闭合)难以在实际生活中找到相似的例子。基本问题是:为什么电感充电电流会随时间延续而增加?即什么因素导致充电电流开始时刻不能很高?电感的情况不像电容那样存在排斥充电的现象,那么原因是什么?

更基本的问题是:电感中为什么存在压降?由欧姆定律(V=I*R)可知电阻两端有压降。而电感中电阻几乎为零,它是一根长的铜导线(绕于磁心上)。那它两端压降是如何产生的?尽管我们认同电容能够维持电压,但对电厂却不甚了解。不过,我们在中学就学过电场定义为电压梯度dV/dx(x表示距离),以下需要解释电感中可能存在的电场是如何形成的。

根据楞次定律或法拉第定律,由于感应电压的产生,电感电流的建立不能瞬时完成。定义可知此电压阻止任何外力对电感磁通的改变,因此若电感电流不变则电感上就无压降,类似于一根导线。若其电流改变,电感两端就会产生感应电压。任何时刻电感两端的电压定义为“感应电压”。

注意:由对偶原理可发现电容、电感与电压、电流的类似性还远不止于此。例如,一直存在一个关于电容的疑问,当电容两端电压改变时,为何会有电流流过电容?电容基本构成为两块金属板和插入中间的绝缘介质,以上说法与绝缘体的通常理解相悖。此现象最终解释为由于电压变化、电容极板流过(或看似流过)转换电流。当电容两端电压改变时,移位电流流过电容两极板。事实上,此电容电流与感应电压极其相似。

下面分析开关导通时感应电压的行为。电感充电阶段其电流初始值为零。闭合开关以促使电流突变。此时,电感两端产生感应电压以试图维持电流为零。在闭环电路中应用基尔霍夫电压定律,开关导通时刻,由欧姆定律可知串联电阻两端电压为零,因此感应电压必须等于外加电压。一段时间后,外加电压大于感应电压,电流持续上升。随着电流增加电阻上压降增大,感应电压需要以相同幅度降低以符合基尔霍夫电压定律。这精确描述了电感上感应电压在整个开关导通期间的值。

为什么外加电压会大于感应电压?如果不是这样的话假设外加电压与感应电压最终相对平衡,则电感电流保持为零。然而,这不可能,因为电流变化率为零则感应电压为零。换言之,感应电压依赖于电流的改变,电流必须改变才能产生感应电压。

自然规律相互印证,无论从哪个角度观测,它们之间都不会冲突。例如,尽管电感电流不断升高,但其变化率减小,导致感应电压下降(根据法拉第定律和楞次定律),因此电阻上压降升高同样符合基尔霍夫电压定律。



西方节选自《精通开关电源设计》,由镭之源激光电源整理

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