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脉冲电源中磁芯动态参数测量

来源: 编者:任保忠, , 陈鹏, 李东 发布时间:2014-01-26

摘要:为了得到磁开关磁芯在磁压缩电路中的磁参数,仿照不需要附加磁芯复位电路的单级磁脉冲压缩电路,设计并搭建了试验系统,对Mn-Zn铁氧体磁芯进行了测试。分析了测试原理和计算方法,通过测试和运算得到了磁芯的磁滞回线,进而得到了在快脉冲激励情况下该磁芯的饱和磁感应强度,剩磁,矫顽力等参数。
关键词:脉冲功率; 磁脉冲压缩; 磁开关; 铁氧体; 磁滞回线
Abstract:
Keyword:

随着脉冲功率技术的发展,开关技术尤其是大功率、长寿命、高重复率的开关技术,占据着越来越重要的地位。相对于传统开关而言,磁开关利用磁芯饱和来实现工作状态转换,不存在消电离和电极烧蚀等问题,因此作为高重复频率运行、长寿命的开关极具应用价值[1-3]

磁芯作为磁开关的核心部件,其性能参数直接影响着磁开关的性能及脉冲压缩效果,因此对其要求非常严格[4,5]。磁开关主要在µs级脉冲激励条件下工作,而从厂家得到的或者由市面上的测试仪器测试得到的大部分都是直流或交流(50 Hz)下的磁芯参数。直流或低频磁场下的磁化曲线,即所谓静态(或准静态)磁特性,此时磁化的滞后现象弛豫现象可以忽略。但当频率提高时,弛豫现象就越来越明显,同时涡流更加显著。在与低频相同幅值的磁场磁化磁芯时,对应的磁感应强度要下降,频率越高下降越多。

为了得到磁开关在工作状态下的动态参数,依照磁脉冲压缩网络搭建电路,直接使用脉冲法对磁开关进行测量。测量中磁开关上所施加的脉冲激励与实际工作状态一致,测量结果对磁开关的设计具有实际指导作用。

磁性参数测试原理

1.1 测试电路

传统的磁开关工作电路及其工作波形如图所示。前后级电容C0C1选取相同参数[6]。调整磁开关参数使其在C0电压达到峰值时饱和,此时磁开关导通,电容C0通过磁开关对C1快速充电,完成脉冲陡化过程。

a)磁压缩电路  b)前后级电容电压

传统单级磁压缩电路及电容充放电电压波形

磁开关磁芯的磁滞回线如图2所示。分析可知在传统的磁压缩电路中如果不为磁开关外加复位电路,磁开关由非饱和至饱和的磁通变化量ΔB1=BS-Br。而若外加复位电路可显著增加磁通变化量,此时ΔB2=BS+Br,从而减小磁开关磁芯体积。由此可见传统磁压缩电路中复位电路是必不可少的。

2. 磁滞回线

Fig.2 Magnetic hysteresis loop

随着脉冲频率的增加,磁芯的复位变得愈加困难这也成为限制电源频率的主要问题之一。近些年来一种不需附加磁芯复位电路的磁脉冲压缩网络有效的解决了此问题,从而得到了广泛的应用。此电路的单级拓扑结构如图所示。此电路中PT为可饱和脉冲变压器,MS为磁开关,L1L2为充电电感,Rx为负载,开关S在电路中使用IGBT来实现。 

其工作原理简单描述如下。使用直流电源使主电容C0充满电,在开关S导通以后C0通过脉变PT给电容C1C2充电,设计脉变及充电电感L1使PTC1C2电压达到峰值时饱和,此时脉变PT副边电感急剧下降,C1通过PT副边形成L-C振荡回路。当电容C1上电压实现电压翻转时,此时磁开关上电压近似为电容C1C2上电压的叠加,磁开关饱和电容C1C2串联对负载Rx放电,实现脉冲压缩。

磁芯参数测试电路如图所示。图中Rs为分流器,用以测量回路电流。分别测量MS两端电压以及回路电流,通过计算机可以绘制磁滞回线。

3. 单级免复位磁压缩电路

4. 磁芯动态参数测电路

1.2 测试原理

由电感的伏秒积平衡方程式:

          1

其中N为磁芯匝数,A为磁芯截面积,可以得到:

          2

由安培环路定律得:

                  3

式中i为回路电流,l为磁芯平均磁路。

由上可知,通过示波器测量并记录磁开关MS两端电压,并使用计算机对之积分便可通过运算得到磁芯磁感应强度B。由分流器测量回路电流,进而可得到磁场强度H

对于环形磁芯而言,可取

......



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