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[導(dǎo)讀]1、磁性材料所有做高頻電力電子系統(tǒng)及開關(guān)電源的工程師都離不開電感、變壓器或電機(jī)等感性元件。感性元件內(nèi)部具有磁芯,磁芯由磁性材料加工而成,感性元件高頻開關(guān)工作過程中,磁性材料反復(fù)磁化。磁化過程中,磁滯回線就是表征磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系的曲線,如圖1所示。????圖1:特...


1、磁性材料


所有做高頻電力電子系統(tǒng)及開關(guān)電源的工程師都離不開電感、變壓器或電機(jī)等感性元件。感性元件內(nèi)部具有磁芯,磁芯由磁性材料加工而成,感性元件高頻開關(guān)工作過程中,磁性材料反復(fù)磁化。磁化過程中,磁滯回線就是表征磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系的曲線,如圖1所示。

???? 圖1:特定磁性材料的磁滯回線


磁性材料確定后,其對應(yīng)的磁滯回線也就確定:
??? B = μ·H
其中,μ為磁性材料在空氣的磁導(dǎo)率。


磁感應(yīng)強(qiáng)度B的改變滯后于磁場強(qiáng)度H的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。圖2中,磁滯回線表示磁性材料工作的最大邊界,Bs為飽和磁通密度(飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度),Br為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度,Hc為矯頑力。


2、磁芯


如果將磁性材料燒結(jié)成一定的形狀,制作成磁芯,比如E形、環(huán)形等,磁芯具有一定幾荷尺寸:截面積、磁路長度。由下面的公式:
??? F = H·l
??? Φ = B·Ae
其中,Φ為磁通量,Ae為磁芯截面積,F(xiàn)為磁勢,l為磁路長度。


圖2中,X軸由H變成F,Y軸由B變?yōu)棣担艤鼐€對應(yīng)的是磁通量Φ和磁勢F的關(guān)系曲線,也就是由特定磁性材料制成具一定形狀磁芯的磁滯回線,即:
??? Φ = μ
1·F

?????????? ?圖2:磁芯的磁滯回線


3、感性元件:電感及變壓器


磁芯加上繞組線圈,組成感性元件,如電感、變壓器等,由公式:
? i = H·l/N??? -- 安培電流定理
? V = N·dΦ /dt???? -- 法拉利定理
其中,i為線圈繞組的電流,N為線圈繞組匝數(shù),V為感應(yīng)電壓。


同樣的,圖3中,X軸變成i,Y軸變成V,磁滯回線對應(yīng)的是感應(yīng)電壓V和電流i的關(guān)系曲線,也就是感性元件的磁滯回線,表示感性元件的磁工作特性。

???????? 圖3:感性元件的磁滯回線


從上面過程可以看到:磁和電是相互聯(lián)系,相互轉(zhuǎn)化,也就是磁電不分家的特性。如果在磁芯中加入氣隙,由磁路的公式:

其中,μe為有效磁導(dǎo)率。


磁芯帶有氣隙后,等效的磁導(dǎo)率降低,同樣的繞組匝數(shù),電感量降低,在同樣的電壓下,需要更大的磁化電流,因此不易飽和,也就是對于同樣的繞組匝數(shù),磁芯加氣隙,電感或變壓器的飽和電流增加。

?????? 圖4:加氣隙后的磁滯回線


4、單端及雙端變換器


如果磁芯只工作在第一象限,如圖5所示,這樣的變換器稱為單端變換器,如:Buck,Boost,Buck-Boost,Cuk,Sepic,反激Flyback,正激Forward變換器等。


每一個開關(guān)周期從激磁到去磁,當(dāng)開關(guān)周期結(jié)束時,工作點必須回到起始位置,否則工作點會偏入到右上部分飽和區(qū)域,磁導(dǎo)率急劇下降,磁芯飽和。每個開關(guān)周期結(jié)束時磁芯工作點必須回到起始點的特性,稱為磁通復(fù)位:
??? △Φ
激磁 = △Φ去磁?
???? V = N·dΦ/dt
??? △Φ = △B·Ae


由以上公式得到:V
激磁·△T激磁 = V去磁·△T去磁,這就是所謂的伏秒值平衡。工作于連續(xù)模式BUCK變換器:(Vin-Vo)·△Ton = Vo?·△Toff,本質(zhì)上,磁通復(fù)位和伏秒值平衡的概念是一致的。
????? 圖5:單端變換器磁芯工作狀態(tài)


如果磁芯只工作在第一、三象限,如圖6左圖所示,正向和負(fù)向激磁是對稱的,這樣的變換器稱為雙端變換器,如推挽Push-Pull,半橋Half-Bridge,全橋Full-Bridge變換器等。磁芯在正、負(fù)二個方向工作,磁通可以自行復(fù)位。


有源鉗位反激變換器、有源鉗位正激變換器,磁芯工作在正向、負(fù)向激磁不對稱狀態(tài),如圖6右圖所示。
圖6:雙端變換器磁芯對稱工作狀態(tài),有源鉗位反、正激變換器磁芯非對稱工作狀態(tài)


5、電感及變壓器飽和電流


電感及變壓器的電流增加時,磁芯會飽和,μ急劇降低,也就是電感L會急劇下降,理想狀態(tài)下,μ=0,相當(dāng)于電感及變壓器的電感為0,變成空心的線圈。電感及變壓器的飽和電流通常定義為:電感值降低10%的電流值,有些公司定義為降低30%的電流值。


?????????????????圖7:電感飽和電流


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