超微晶磁芯及其在開(kāi)關(guān)電源中的應用

發(fā)布時(shí)間:2010-8-6 10:21    發(fā)布者:lavida
微晶磁芯具有較高的飽和磁感應強度(1.l~1.2T),高磁導率,低矯頑力,低損耗及良好的穩定性、耐磨性、耐蝕性,同時(shí)具有較低的價(jià)格,在所有的金屬軟磁材料芯中具有最佳的性?xún)r(jià)比。用于制作微晶鐵芯的材料被譽(yù)為”綠色材料”,廣泛應用于取代硅鋼,坡莫合金及鐵氧體,作為各種形式的高頻(20~100 kHz)開(kāi)關(guān)電源中的大中小功率的主變壓器、控制變壓器、波電感、儲能電感、電抗器、磁放大器、飽和電抗器磁芯、EMC濾波器共模電感和差模電感磁芯、IDSN微型隔離變壓器磁芯,也廣泛應用于各種類(lèi)同精度的互感器磁芯。  

1 超微晶磁芯的主要特點(diǎn)

VITROPERM 500F鐵基超微晶磁芯具有以下特點(diǎn):

1)極高的初始磁導率,μ=30 000~80 000,且磁導率隨磁通密度和溫度的變化非常;
2)磁芯損耗極低,并且在一40~+120℃范圍內不隨溫度而變化;
3)非常高的飽和磁通密度(Bs=1.2T),允許選擇較低的開(kāi)關(guān)頻率,能降低開(kāi)關(guān)電源及EMI濾波器的成本;
4)磁芯采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝,機械強度高,無(wú)磁滯伸縮現象,能承受強振動(dòng);
5)可取代傳統的鐵氧體磁芯以減小開(kāi)關(guān)電源的體積.提高可靠件.

超微晶磁芯的型號很多,所傳輸的功率可從50 W到11kW。幾種常用磁性材料的性能比較見(jiàn)表1。  

  
2 超微晶磁芯在開(kāi)關(guān)電源中的應用

2.1 超微晶磁芯材料在高頻變壓器中的應用

目前,高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯。VITROPERM 5OOF鐵基超微晶磁芯與德國兩門(mén)子公司生產(chǎn)的N67系列鐵氧體磁芯的性能比較,如圖1所示。圖1(a)為磁導率的相對變化率與溫度的關(guān)系曲線(xiàn);圖1(b)為磁感應強度(B)與矯頑力(H)的關(guān)系曲線(xiàn);圖1(c)則為損耗.溫度曲線(xiàn)。由圖l(a)可見(jiàn),超微晶磁芯的磁導率隨溫度的變化量遠遠低于鐵氧體磁芯,可提高開(kāi)關(guān)電源的穩定性和可靠性。由圖l(b)可見(jiàn),超微晶磁芯的/μB乘積比鐵氧體磁芯高許多倍,這意味著(zhù)可大大減小高頻變壓器的體積及重量。由圖1(c)可見(jiàn),當溫度發(fā)生變化時(shí),超微晶磁芯的損耗遠低于鐵氧體磁芯。此外,鐵氧體磁芯的居里點(diǎn)溫度較低,在高溫下容易退磁。若采用超微晶磁芯制作變壓器,即可將工作時(shí)的磁感應強度變化量從O.4T提高到1.OT,使功率開(kāi)關(guān)管的工作頻率降低到100kHz以下。  

  
2.2 超微晶磁芯在共模電感中的應用

采用超微晶磁芯制作共模電感(亦稱(chēng)共模扼流圈)時(shí),只須繞很少的匝數,即可獲得很大的電感量,從而降低了銅損,節省了線(xiàn)材,減小了共模電感的體積。用超微晶磁芯制成的共模電感具有很高的共模插入損耗,能在很寬的頻率范圍內對共模干擾起到抑制作用,因而不需要使用復雜的濾波電路。分別用鐵氧體磁芯、超微晶磁芯制成共模電感,二者的外形比較如圖2所示。  

2.3 超微晶磁芯在EMI濾波器中的應用

由VAC公司生產(chǎn)的鈷基超微晶磁芯VIT-ROVAC 6025Z,可廣泛用于開(kāi)關(guān)電源的EMl濾波器中,能有效地抑制由電流快速變化所產(chǎn)生的尖峰電壓。在超微晶磁芯上繞一圈或幾圈銅線(xiàn),即可制成一個(gè)尖峰抑制器,其構造非常簡(jiǎn)單,而對噪聲干擾的抑制效果非常好。VITROVAC 6025Z超微晶磁芯具有極低的磁芯損耗和很高的矩形比,當電流突變?yōu)榱銜r(shí)呈現出很大的電感量,能對整流管的反向電流起到阻礙作用。由尖峰抑制器構成EMI濾波器的電路如圖3所示。D1為輸出整流管,D2為續流二極管。在D1.D2上分別串聯(lián)一個(gè)尖峰抑制器。L為儲能電感,C為濾波電容。不加尖峰抑制器時(shí)通過(guò)整流管的電流波形如圖4(a)所示,IF、IR分別代表整流管的正向工作電流和反向工作電流,frr代表反向恢復時(shí)間。由圖4可見(jiàn),整流管在反向工作區域會(huì )產(chǎn)生尖峰電流,而接入尖峰抑制器后,尖峰電流就被抑制了。  

  
尖峰抑制器典型的磁滯回線(xiàn)如圖5所示,在到達工作點(diǎn)1之前(電流導通時(shí)),磁芯處于飽和狀態(tài),具有非常低的電感量;當電流關(guān)斷時(shí)到達工作點(diǎn)2(亦稱(chēng)剩磁點(diǎn))時(shí),由于整流管存在反向恢復時(shí)間,使得電流繼續沿著(zhù)負的方向減小,但超微晶磁芯具有非常高的磁導率,這時(shí)會(huì )呈現很大的電感量,所以它就不經(jīng)過(guò)理論工作點(diǎn)3(該點(diǎn)本應對應于出現反向尖峰電流IR的時(shí)刻),而是直接到達工作點(diǎn)4(即反向剩磁點(diǎn)),然后又被磁化開(kāi)始另一循環(huán)。這種抑制整流管尖峰電流的特性被稱(chēng)之為“軟恢復”。圖5中的IFe為激勵電流。  



  
下面介紹設計尖峰抑制器的公式。若令整流管的反向恢復時(shí)間為trr(單位取s),反向電壓為UR (V),通過(guò)整流管的電流為IF(A),則尖峰抑制器必須滿(mǎn)足下述條件。  


式中:Φ為磁通;
S為磁芯的繞線(xiàn)面積。
計算銅導線(xiàn)線(xiàn)徑的公式為  
  
所須繞制的匝數為  


  
3 結語(yǔ)

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展和成熟,人們逐漸認識到磁性元件不僅是電源中的功能元件,同時(shí)其體積、重量、損耗在整機中也占相當比例。據統計,磁性元件的重量一般是變換器總重量的30%~40%,體積占總體積的20%~30%,對于模塊化設計的高頻電源,磁性元件的體積、重量所占的比例還會(huì )更高。另外,磁性元件還是影響電源輸出動(dòng)態(tài)性能和輸出紋波的一個(gè)重要因素。因此,要提高電源的功率密度、效率和輸出品質(zhì),就應對減小磁性元件的體積、重量及損耗的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究,以滿(mǎn)足電源發(fā)展的需要。我們有理由相信,微晶磁芯在開(kāi)關(guān)電源中將有非常寬闊的應用前景。
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