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脈沖電源中磁芯動態參數測量

來源: 編者:任保忠, , 陳鵬, 李東 發布時間:2014-01-26

摘要:為了得到磁開關磁芯在磁壓縮電路中的磁參數,仿照不需要附加磁芯復位電路的單級磁脈沖壓縮電路,設計并搭建了試驗系統,對Mn-Zn鐵氧體磁芯進行了測試。分析了測試原理和計算方法,通過測試和運算得到了磁芯的磁滯回線,進而得到了在快脈沖激勵情況下該磁芯的飽和磁感應強度,剩磁,矯頑力等參數。
關鍵詞:脈沖功率; 磁脈沖壓縮; 磁開關; 鐵氧體; 磁滯回線
Abstract:
Keyword:

隨著脈沖功率技術的發展,開關技術尤其是大功率、長壽命、高重復率的開關技術,占據著越來越重要的地位。相對于傳統開關而言,磁開關利用磁芯飽和來實現工作狀態轉換,不存在消電離和電極燒蝕等問題,因此作為高重復頻率運行、長壽命的開關極具應用價值[1-3]

磁芯作為磁開關的核心部件,其性能參數直接影響著磁開關的性能及脈沖壓縮效果,因此對其要求非常嚴格[4,5]。磁開關主要在µs級脈沖激勵條件下工作,而從廠家得到的或者由市面上的測試儀器測試得到的大部分都是直流或交流(50 Hz)下的磁芯參數。直流或低頻磁場下的磁化曲線,即所謂靜態(或準靜態)磁特性,此時磁化的滯后現象弛豫現象可以忽略。但當頻率提高時,弛豫現象就越來越明顯,同時渦流更加顯著。在與低頻相同幅值的磁場磁化磁芯時,對應的磁感應強度要下降,頻率越高下降越多。

為了得到磁開關在工作狀態下的動態參數,依照磁脈沖壓縮網絡搭建電路,直接使用脈沖法對磁開關進行測量。測量中磁開關上所施加的脈沖激勵與實際工作狀態一致,測量結果對磁開關的設計具有實際指導作用。

磁性參數測試原理

1.1 測試電路

傳統的磁開關工作電路及其工作波形如圖所示。前后級電容C0C1選取相同參數[6]。調整磁開關參數使其在C0電壓達到峰值時飽和,此時磁開關導通,電容C0通過磁開關對C1快速充電,完成脈沖陡化過程。

a)磁壓縮電路  b)前后級電容電壓

傳統單級磁壓縮電路及電容充放電電壓波形

磁開關磁芯的磁滯回線如圖2所示。分析可知在傳統的磁壓縮電路中如果不為磁開關外加復位電路,磁開關由非飽和至飽和的磁通變化量ΔB1=BS-Br。而若外加復位電路可顯著增加磁通變化量,此時ΔB2=BS+Br,從而減小磁開關磁芯體積。由此可見傳統磁壓縮電路中復位電路是必不可少的。

2. 磁滯回線

Fig.2 Magnetic hysteresis loop

隨著脈沖頻率的增加,磁芯的復位變得愈加困難這也成為限制電源頻率的主要問題之一。近些年來一種不需附加磁芯復位電路的磁脈沖壓縮網絡有效的解決了此問題,從而得到了廣泛的應用。此電路的單級拓撲結構如圖所示。此電路中PT為可飽和脈沖變壓器,MS為磁開關,L1L2為充電電感,Rx為負載,開關S在電路中使用IGBT來實現。 

其工作原理簡單描述如下。使用直流電源使主電容C0充滿電,在開關S導通以后C0通過脈變PT給電容C1C2充電,設計脈變及充電電感L1使PTC1C2電壓達到峰值時飽和,此時脈變PT副邊電感急劇下降,C1通過PT副邊形成L-C振蕩回路。當電容C1上電壓實現電壓翻轉時,此時磁開關上電壓近似為電容C1C2上電壓的疊加,磁開關飽和電容C1C2串聯對負載Rx放電,實現脈沖壓縮。

磁芯參數測試電路如圖所示。圖中Rs為分流器,用以測量回路電流。分別測量MS兩端電壓以及回路電流,通過計算機可以繪制磁滯回線。

3. 單級免復位磁壓縮電路

4. 磁芯動態參數測電路

1.2 測試原理

由電感的伏秒積平衡方程式:

          1

其中N為磁芯匝數,A為磁芯截面積,可以得到:

          2

由安培環路定律得:

                  3

式中i為回路電流,l為磁芯平均磁路。

由上可知,通過示波器測量并記錄磁開關MS兩端電壓,并使用計算機對之積分便可通過運算得到磁芯磁感應強度B。由分流器測量回路電流,進而可得到磁場強度H

對于環形磁芯而言,可取

......



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