佛山市順德喬晶電子有限公司
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                      磁心在直流預磁化狀態下的特性

                      【發表評論】 作者:佚名 來源:網絡 發布時間:2008-11-10 10:29:08
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                      1引言
                      功率鐵氧體磁心絕大部分使用在電路中有直流偏置的情況下。它主要是用作傳輸/通過一定功率的變換器(變壓器)、扼流圈或濾波器,如AC-DC變換、DC-DC變換、逆變器、脈沖變壓器、隔離(級間)變壓器、電源EMI濾波器、抑制高頻干擾信號的扼流圈等。在這些應用場合,磁心往往都是在直流預磁化的條件下,繞組中再通過一定幅度的交變(交流)、脈沖信號。多數情況下預磁化直流電源只是為了建立電路中固體電子器件的工作點、使固體電子器件正常工作,而交變、脈沖信號才是需要傳輸/放大的有用信號。但是沒有直流電源的供給,電子電路將無法工作。因此,磁心在直流預磁化狀態下的特性應引起生產者和使用者的極大關注。

                      2磁化條件及其對磁特性曲線的影響

                      2.1直流預磁化狀態下的磁化模型
                      為了便于弄清直流預磁化狀態下的磁化情況,我們用圖1所示的磁化模型來進行分析,也可進行模擬測量。模型中的預磁化繞組(Ⅲ)可以加入預定的直流電流I0,對磁心進行預磁化(靜態磁化);然后,通過輸入繞組(Ⅰ)輸入一定幅度的信號(交變的或脈沖的)對磁心進行動態磁化;此時,可以通過與測量繞組(Ⅱ)相連接的示波器觀察、測量其在直流預磁化狀態下的磁特性曲線。

                      2.2混合磁化


                      在直流預磁化的情況下,根據輸入的交變或脈沖信號幅度的不同和預磁化電流的大小,將出現不同的混合磁化情況。圖2列舉了五種較典型的磁化條件。預磁化電流的大小,將決定交變或脈沖電流的流動方向,即決定輸入的交變或脈沖信號電流i(t)的橫座標與混合磁化的橫座標的相對位置。在圖2a)中,周期性雙極磁化時,磁化電流由直流分量和交流分量組成;圖2b)所示為混合磁化的一個特殊情況,電流i(t)僅在一個方向流動;圖2 c)所示為混合磁化的一個特殊情況,電流i(t)是一個純粹的交變分量,它不包含直流分量(即I0=0);圖2 d)為磁化電流i(t)僅在一個方向流動的單極脈沖磁化,它與圖2 b)有相似之處;圖2 e)為雙極脈沖磁化,它與交變磁化(圖2 c)相似。
                      在靜態(直流)磁化條件下的交變(交流)磁化,隨著磁化速度的增加,動態效應便疊加在磁性材料的純靜態特性上,于是,根據在初始磁化曲線上的"工作點"位置的不同,或者磁通密度或磁場強度的大小及其隨時間的變化而出現各種不同的材料動態特性。在實際運用中,根據上述情況的不同,磁性材料的動態特性千變萬化,在此,只能討論一些典型的例子。



                      圖3所示為在用連續直流預磁化場磁化和交變場磁化情況下,交變磁化的磁化曲線。從圖3可以看出,在這種情況下,出現了磁場強度和磁通密度的非對稱性磁滯回線。此時,磁通密度只能用其振幅的平均值來表示。由此可見,在有、無直流疊加磁場的情況下磁滯回線是不相同的。圖4所示為有、無直流疊加磁場情況下,磁滯回線和正弦磁場或正弦磁通密度下的電壓-時間或磁場強度-時間曲線。由圖4中可以看出:在有直流磁場疊加的情況下,磁場強度-時間、電壓-時間曲線和磁滯回線都發生了畸變。由于磁通密度是非對稱的,所以只能使用其平均值,從而用/H~來表示其磁導率。直流磁場疊加情況下的磁導率如圖5所示。

                      2.3直流預磁化下的磁特性


                      在低的正弦勵磁情況下,由于磁場強度振幅遠低于矯頑力,所以產生的磁滯回線呈橢圓形。在通信工程中的音頻變壓器、濾波器等中常出現這種情況。隨著預磁化的直流磁場的不同,其工作點也不相同,見圖6所示。在這種情況下,由于磁場增量ΔH較小,其磁導率稱為可逆磁導率μrev。它是在某個特定的靜磁場下,以交變場激磁時的增量磁導率μΔ在ΔH→0時的極限值。隨著在初始磁化曲線上的工作點不同,可逆磁導率μrev具有不同的值,它與橢圓回線長軸線的斜率有關。值得注意的是:磁心生產者通常測得的是可逆磁導率μrev,而磁心使用者,特別是用于功率較大的電感器件時使用的是增量磁導率μΔ。


                      圖7所示為西門子公司罐形和RM型磁心在交流磁通密度峰值,f=10KHz,T=25℃時,可逆磁導率隨疊加的直流磁場強度的變化曲線。隨著可逆磁導率的降低(磁路氣隙的增大),可逆磁導率保持不變的疊加直流磁場強度越大。
                      然而,在功率鐵氧體使用的場合,交變或脈沖勵磁信號的幅度都較大,在這種情況下,涉及到磁心磁導率時,只能使用增量磁導率而不能用可逆磁導率。

                      2.4脈沖磁化
                      在功率鐵氧體的應用中,很多情況下是方波脈沖電壓決定的脈沖磁化。于是,研究單極和對稱的雙極脈沖磁化,對功率鐵氧體磁心的應用具有實際的意義。單極脈沖磁化在功率鐵氧體應用中較為普遍。單極脈沖磁化的特征是在磁滯回線上存在起始點,在脈沖電壓從0上升時,磁化始于此點,在脈沖電壓下降到0時,又再次達到該點。圖8所示為不同的直流預磁化和不同的脈沖幅度下,存在這些起始點的三種典型小回線位置。其中小回線1是經常遇到的典型回線。小回線2和3只有在個別情況下才會出現。
                      對于單極脈沖幅度較大的磁化,其磁化過程如圖9所示。從圖9可以看出,經過幾個脈沖后,小磁滯回線存在起始點,以后重復的脈沖磁化的起始點始終沒有變化。此時的起始點為O′,即磁心材料的剩余磁通密度Br處,磁通密度最高值為Bm,在設計時一般取飽和磁通密度Bs的80%,即Bm≈0.8Bs。增量磁導率μ△為磁通密度增量和磁場強度增量之比。
                      即增量磁導率與尖葉形小回線的中心線的斜率有關,斜率越大,μ△越高。
                      與單極脈沖磁化不同,對稱的雙極脈沖磁化始于磁滯回線上兩個對稱配置的起始點。這兩個點通常是磁性材料的兩個(正、負)剩余磁通密度(+Br,-Br)位置。例如從-Br到+Br,然后從+Br再到-Br,交替地磁化,完成對稱的雙極脈沖磁化,如圖10所示。在相控電路中,抑制射頻EMI信號對可控硅干擾的扼流圈就屬于這種磁化條件。

                      3磁心在直流預磁化下的特性
                      3.1帶氣隙磁路的磁滯回線
                      為了使磁心工作在較大的磁通密度下不致于飽和,在磁路中往往要引入氣隙。即使未加氣隙的配對磁心,由于配合面接觸不十分緊密,或多或少地也存在一定的氣隙。帶氣隙的磁心在被施加的一個外磁場H磁化時,在氣隙處存在與磁化強度M方向相反的磁場Hd,它起著減退磁化的作用,稱為退磁場。此時,磁心內的磁場強度Hi等于激勵磁場與退磁場之差。



                      式中,比例系數N稱為退磁因子。對于帶氣隙的閉合磁路而言,因為N<<1,故退磁因子N的值約等于氣隙長度(lg)與等效磁路長度(le)之比。去磁因子N決定了帶氣隙磁心磁滯回線傾斜的程度。退磁因子N越

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