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磁性器件中磁芯的選用及設計

2012-03-30
關(guān)鍵詞: 磁性器件 磁芯

  開關(guān)電源中使用的磁性器件較多,,其中常用的軟磁器件有:作為開關(guān)電源核心器件的主變壓器(高頻功率變壓器)、共模扼流圈、高頻磁放大器,、濾波阻流圈,、尖峰信號抑制器等,。不同的器件對材料的性能要求各不相同,,如表所示為各種不同器件對磁性材料的性能要求。

  (一),、高頻功率變壓器

  變壓器鐵芯的大小取決于輸出功率和溫升等,。變壓器的設計公式如下:

  P=KfNBSI×10-6T=hcPc+hWPW

  其中,P為電功率;K為與波形有關(guān)的系數(shù);f為頻率;N為匝數(shù);S為鐵芯面積;B為工作磁感;I為電流;T為溫升;Pc為鐵損;PW為銅損;hc和hW為由實驗確定的系數(shù),。

  由以上公式可以看出:高的工作磁感B可以得到大的輸出功率或減少體積重量,。但B值的增加受到材料的Bs值的限制,。而頻率f可以提高幾個數(shù)量級,從而有可能使體積重量顯著減小,。而低的鐵芯損耗可以降低溫升,,溫升反過來又影響使用頻率和工作磁感的選取。一般來說,,開關(guān)電源對材料的主要要求是:盡量低的高頻損耗,、足夠高的飽和磁感、高的磁導率,、足夠高的居里溫度和好的溫度穩(wěn)定性,有些用途要求較高的矩形比,,對應力等不敏感,、穩(wěn)定性好,價格低,。單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限,,對材料磁性的要求有別于前述主變壓器。它實際上是一只單端脈沖變壓器,,因而要求具有大的B=Bm-Br,,即磁感Bm和剩磁Br之差要大; 同時要求高的脈沖磁導率。特別是對于單端反激式開關(guān)主變壓器,,或稱儲能變壓器,,要考慮儲能要求。

  線圈儲能的多少取決于兩個因素: 一個是材料的工作磁感Bm值或電感量L,, 另一個是工作磁場Hm或工作電流I,,儲能W=1/2LI2。這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導率,,常為寬恒導磁材料,。對于工作在Bm之間的變壓器來說,要求其磁滯回線的面積,,特別是在高頻下的回線面積要小,,同時為降低空載損耗、減小勵磁電流,,應有高磁導率,,最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯,其磁滯回線見圖所示,,這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中,。

  通常,金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不容易的,,而對于非晶合金來說,,它們由于不存在磁晶各向異性,、金屬夾雜物和晶界等,此外它不存在長程有序的原子排列,,其電阻率比一般的晶態(tài)合金高2-3倍,,加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄帶,特別適用于高頻功率輸出變壓器,。已廣泛應用于逆變弧焊電源,、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源,、不停電電源,、功率變壓器、通訊電源,、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等鐵芯,,在頻率20-50kHz、功率50kW以下,,是變壓器最佳磁芯材料,。

  近年來發(fā)展起來的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器,具有高頻大功率的特點,,因此要求變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗,、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B,使焊機體積和重量減小,。常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體,,雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗, 但其溫度穩(wěn)定性較差,,工作磁感較低,,變壓器體積和重量較大,已不能滿足新型弧焊機的要求,。采用納米晶環(huán)形鐵芯后,,由于其具有高的Bs 值(Bs>1.2T),高的B 值(B>0.7T),,很高的脈沖磁導率和低的損耗,,頻率可達100kHz. 可使鐵芯的體積和重量大為減小。近年來逆變焊機已應用納米晶鐵芯達幾萬只,,用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機,,不僅體積小、重量輕,、便于攜帶,,而且電弧穩(wěn)定、飛濺小,、動態(tài)特性好,、效率高及可靠性高,。這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器,、不停電電源,、功率變壓器、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中,??筛鶕?jù)開關(guān)電源的頻率選用磁芯材料。

  環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點,,但它也有繞線困難的不利因素,。為了在匝數(shù)較多時繞線方便,可選用高頻大功率C 型非晶納米晶鐵芯,。采用低應力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金C 型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼C 型鐵芯,。目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機和切割機等。逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有: 120A,、160A、200A,、250A,、315A、400A,、500A,、630A 系列。

  (二),、脈沖變壓器鐵芯

  脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器,。當一系列脈沖持續(xù)時間為td (ms)、脈沖幅值電壓為Um (V)的單極性脈沖電壓加到匝數(shù)為N 的脈沖變壓器繞組上時,,在每一個脈沖結(jié)束時,,鐵芯中的磁感應強度增量B (T)為: B = Um td / NSc × 10-2 其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2)。即磁感應強度增量B 與脈沖電壓的面積(伏秒乘積)成正比,。對輸出單向脈沖時,,B=Bm-Br , 如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時,B = Bm + Br ,。在脈沖狀態(tài)下,,由動態(tài)脈沖磁滯回線的B 與相應的Hp 之比為脈沖磁導率mp。理想的脈沖波形是指矩形脈沖波,,由于電路的參數(shù)影響,,實際的脈沖波形與矩形脈沖有所差異,經(jīng)常會發(fā)生畸變,。比如脈沖前沿的上升時間tr 與脈沖變壓器的漏電感Ls,、繞組和結(jié)構(gòu)零件導致的分布電容Cs 成比例,,脈沖頂降λ 與勵磁電感Lm成反比,另外渦流損耗因素也會影響輸出的脈沖波形,。

  脈沖變壓器的漏電感 Ls = 4βπN21 lm / h

  脈沖變壓器的初級勵磁電感 Lm = 4μπp Sc N2 / l ×10-9

  渦流損耗 Pe = Um d2td lF / 12 N21 Scρ

  β為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù),,lm為繞組線圈的平均匝長,h 為繞組線圈的寬度,,N1為初級繞組匝數(shù),,l為鐵芯的平均磁路長度,Sc為鐵芯的截面積,,為鐵芯的脈沖磁導率,,為鐵芯材料的電阻率,d為鐵芯材料的厚度,,F(xiàn)為脈沖重復頻率,。

  從以上公式可以看出,在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時,,脈沖寬度愈大,,要求鐵芯材料的磁感應強度的變化量B 也越大;在脈沖寬度給定時,提高鐵芯材料的磁感應強度變化量ΔB,,可以大大減少脈沖變壓器鐵芯的截面積和磁化繞組的匝數(shù),,即可縮小脈沖變壓器的體積。要減小脈沖波形前沿的失真,,應盡量減小脈沖變壓器的漏電感和分布電容,,為此需使脈沖變壓器的繞組匝數(shù)盡可能的少,這就要求使用具有較高脈沖磁導率的材料,。為減小頂降,,要盡可能的提高初級勵磁電感量Lm,這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導率μp,。為減小渦流損耗,,應選用電阻率高、厚度盡量薄的軟磁帶材作為鐵芯材料,,尤其是對重復頻率高,、脈沖寬度大的脈沖變壓器更是如此。

   脈沖變壓器對鐵芯材料的要求為:

 ?、?高飽和磁感應強度Bs 值;

 ?、?高的脈沖磁導率,能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感;

 ?、?大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應強度增量ΔB,使用低剩磁感應材料;當采用附加直流偏磁時,,要求鐵芯具有高矩形比,小矯頑力Hc,。

 ?、?小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導率高;

 ?、?損耗小。

  鐵氧體磁芯的電阻率高,、頻率范圍寬,、成本低,在小功率脈沖變壓器中應用較多,,但其ΔB

  和μp 均較低,,溫度穩(wěn)定性差,一般用于對頂降和后沿要求不高的場合,。

  (三). 電感器磁芯

  鐵芯電感器是一種基本元件,,在電路中電感器對于電流的變化具有阻抗的作用, 在電子設備中應用極為廣泛。對電感器的主要要求有以下幾點:

 ?、?在一定溫度下長期工作時,,電感器的電感量隨時間的變化率應保持最小;

  ② 在給定工作溫度變化范圍內(nèi),,電感量的溫度系數(shù)應保持在容許限度之內(nèi);

 ?、?電感器的電損耗和磁損耗低;

  ④ 非線性歧變小;

 ?、?價格低,,體積小。

  電感元件與電感量L,、品質(zhì)因素Q、鐵芯重量W,、繞線的直流電阻R 有著密切的關(guān)系,。

  電感L 抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示: ZL = 2πfL , 頻率f 越高,感抗值ZL 越大

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