非晶與超微晶材料的應(yīng)用

磁材料120×60×40磁芯。按照

E=4．44f×Bm×N×Sc×10－4（1）

式中：Bm——工作磁感應(yīng)強度，一般選在Bs/2處較

合適，既Bm選0．8T；

E——交流輸入電壓，V；

N——初級匝數(shù)；

f——交流輸入電壓頻率，Hz；

Sc——磁芯有效截面積，cm2。

又因為

Sc=（1／2）×D×（R－r）×h（2）

式中：D——磁芯的占空系數(shù)，一般取0.65；

R——磁芯的外環(huán)直徑，cm；

r——磁芯的內(nèi)環(huán)直徑，cm；

h——磁芯的高度，cm。

所以Sc=(1／2)×D×（R－r）×h

=(1／2)×0．65×（12－6）×4

=7．8cm2

由式（1）可得:N==

=198匝

考慮銅損，N選200匝。

2）驗證

為了驗證N=200匝時，磁導(dǎo)率μe是否在磁芯材料參數(shù)的范圍之內(nèi)，可利用式（3）N=104×（3）

式中：L——初級電感量，H；

lc——磁芯的平均磁路長度，cm。

因為

lc=1.57×(D＋d)=1.57×(12＋6)=28.26cm

L的計算如下:

在未繞成變壓器之前,初級電感量是不能測出的,但可以由式（4）推算出。=（4）

即可以先繞N1=10匝,測得L1=13mH，于是N=200匝時可得到L=L1×=13×=5.2H

由式（3）可得μe=×108=×108

=4×104

μe滿足μi=8×104的要求。說明變壓器初級匝數(shù)設(shè)計合理。

次級匝數(shù)可由電壓與匝數(shù)的變比求出，這里不再累述。

經(jīng)過實驗，這一理論計算可以帶起1kW負載，工作穩(wěn)定可靠。

3）設(shè)計時注意點

①Bm不能選的過高由于磁芯參數(shù)的分散性，使得在相同匝數(shù)下的電感量有差異,而且相差較多,若Bm取得太高,容易使磁芯飽和。 ②怎樣判斷磁芯已進入飽和?

——在淺飽和狀態(tài)下，增加初級電壓,次級電壓不增加,增加的能量全部被磁芯損耗掉；負載加重后,輸出電壓迅速下跌,負載能力下降，能量被磁芯損耗。

——在深飽和狀態(tài)下，初級電壓加不到220V磁芯就很燙,而且初級電壓再升高,次級電壓也不變,能量全部被磁芯損耗。

3開關(guān)電源用磁芯

3．1單端式變換器用磁芯

單端式變換器主要要求磁芯剩余磁感應(yīng)強度低，即Br/Bs較小。

采用鐵基超微晶低剩磁(Br/Bs≤0.2)材料的磁芯，飽和磁感應(yīng)強度Bm=1.2T，剩磁Br<0.2T,初始磁導(dǎo)率μi>2×104，最大磁導(dǎo)率μm=5×104，損耗P0.35（10kHz）<18W/kg。

這是因為單端式變換器磁芯工作在磁滯回線的第一象限,對材料的要求是具有大的ΔB(ΔB=Bm－Br)，鐵基超微晶材料的飽和磁感應(yīng)強度Bm=1.2T,它無論經(jīng)過怎樣的磁場處理,都是不會變的,所以要使ΔB增大,只有采用低Br的磁芯。特別對于單端反激主變壓器,要求有足夠的飽和磁感應(yīng)強度Bm和合適的磁導(dǎo)率。因為單端反激電路中的主變壓器要求儲能,線圈儲能的多少取決于兩個因素:一是材料的工作磁感應(yīng)強度Be或電感量L；另一個是工作磁場Hm或工作電流I。儲能W=LI2,在一定的電流下,磁芯不能飽和。飽和磁感應(yīng)強度Bm由材料決定,低Br的磁芯利于恒磁導(dǎo),使磁芯在一定的電流下不飽和。

3．2全橋、半橋、推挽式變換器用磁芯

對于這種雙端式變換器主要要求磁芯的飽和磁感應(yīng)強度Bm高。

雖然鐵基非晶材料的飽和磁感應(yīng)強度Bm高，但是由于鐵基非晶材料的工作頻率較低（<15kHz），頻率高時，損耗增加，所以對于幾百kHz以上的逆變電源是不適用的。而采用鐵基超微晶中剩磁(Br/Bs≤0.6)材料的磁芯。飽和磁感應(yīng)強度Bm=1.2T,初始磁導(dǎo)率μi>8×104，最大磁導(dǎo)率μm=45×104。損耗P0.3/(100kHz)<300W/kg，工作頻率高。

因為全橋、半橋、推挽式變換器中的變壓器工作在雙端,對Br的要求不是很嚴格,它需要的是2Bm。但若選用高Br的磁芯,當電源功率較大時，容易產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。為此，對于中、大功率的開關(guān)電源，可采用中Br磁芯，這樣還可使變壓器有一定的電感量。特別對于諧振電源，一定的變壓器電感可充當諧振電感，使全橋、半橋、推挽式電路產(chǎn)生諧振，達到ZVS或ZCS軟開關(guān)的作用。

但對于有的大功率的開關(guān)電源,為防止偏磁,也采用低剩磁(低Br)磁芯。

3扼流圈用磁芯

扼流圈用磁芯要求有一定的儲能，所以要采用低剩磁，橫磁導(dǎo)率的材料。

采用鐵基非晶低剩磁(低Br)材料磁芯，飽和磁感應(yīng)強度Bm=1.5T,剩磁Br<0.1T,恒磁導(dǎo)率250～1200。

扼流圈是阻止交流成份,只讓直流通過的電感元件，所以直流電流和交流電流加在磁芯上時的磁特性,即直流偏磁特性是很重要的。具體地說，電感值應(yīng)使得直流電流不易讓磁芯飽和,而對于交流成分確是足夠大的。為此作為材料特性,需要高飽和磁通密度Bm，磁導(dǎo)率恒定。

下面就幾種材料的特性做一下對比，詳見表1。

表1幾種材料的特性對比材料飽和磁感應(yīng)強度/T磁導(dǎo)率損耗/W/kg
鐵基非晶扼流圈1.5250～1200P0.05(2kHz)<1.5
坡莫合金0.75根據(jù)形狀和加氣隙的不同而不同P0.5(2kHz)<25
硅鋼片2P1.0(1kHz)<20
鐵氧體0.4P1.0(1kHz)<7.5
非晶扼流圈與坡莫合金、硅鋼片、鐵氧體相比可以提高工作頻率、增強耐直流電流的能力、高溫時仍保持高飽和磁通密度、降低功耗等優(yōu)點。

4非晶飽和磁芯

飽和磁芯主要是把磁芯當作一個“磁開關(guān)”，當磁芯不飽和時，電感很大，相當于磁開關(guān)斷開；當磁芯完全飽和時，電感很小，相當于磁開關(guān)短路。

采用鈷基非晶合金磁芯，它具有高磁導(dǎo)率,低矯頑力,高矩比(Bs/Br),低損耗等特點。飽和磁感應(yīng)強度Bm=0.5～0.8T,矯頑力HC<2A/m。

1）自飽和電抗器

自飽和電抗器是希望磁芯做一個反應(yīng)很快的開關(guān),有一點電流就使磁芯很快飽和。所以應(yīng)采用高剩磁(高Br)材料,初始磁導(dǎo)率μi>5×104,最大磁導(dǎo)率μm>25×104,損耗P0.5(20kHz)<35W/kg。主要用于消除開關(guān)電源的二次寄生振蕩、消除尖峰等。

2）可飽和電抗器

可飽和電抗器是利用了磁芯未飽和與飽和后磁導(dǎo)率間的巨大差異來延遲電流以得到一段預(yù)置時間。這時可以將脈沖變壓器傳輸過來的脈沖進行壓縮,根據(jù)電流的大小來調(diào)節(jié)脈寬,從而可改變輸出電壓。利用可飽和電抗器的這一特點,就可以實現(xiàn)多路調(diào)節(jié)。因為采用一般的脈寬調(diào)節(jié)的開關(guān)電源只能對一組輸出進行脈寬調(diào)節(jié),改變輸出電壓，而不能做到幾路輸出電壓都可調(diào),利用可飽和電抗器,通過用電位器控制各輸出電路的電流來改變各電路的脈寬,從而實現(xiàn)多路調(diào)節(jié)。現(xiàn)在國外已做出了通過電位器使十幾路輸出都可調(diào)節(jié)的電路。

所以可飽和電抗器應(yīng)根據(jù)電流的大小和輸出脈寬壓縮情況來選擇磁芯。例如需要大電流下還有一定脈沖壓縮的，應(yīng)使用低剩磁(低Br)磁芯.總之要具體問題具體分析。

參考文獻

[1]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].電子工業(yè)

出版社，1998.

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[3]廖湘恩.磁放大器原理[M].國防工業(yè)出版社，1980.