CN106199467A - 一种大尺寸磁芯高频磁化特性的测量装置及磁芯匝数选取方法 - Google Patents

一种大尺寸磁芯高频磁化特性的测量装置及磁芯匝数选取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸磁芯高频磁化特性的测量装置及磁芯匝数选取方法；采用信号发生器经功率放大器和隔离偏置单元为待测磁芯提供激励，可通过调节信号发生器输出波形控制励磁信号的波形，同时通过隔离偏置单元保证励磁信号和周期磁化的对称性。使用所述平台测量时，适用磁芯的尺寸由功率放大器输出特性决定。采用本发明设计的适用磁芯选取方法，根据功率放大器输出特性和磁芯出厂参数计算平台可测量的磁芯尺寸及对应匝数范围，可确保测量装置满足大体积磁环饱和磁滞回线测量要求，提高大尺寸磁芯高频磁化特性测量的针对性与高效性。

Description

一种大尺寸磁芯高频磁化特性的测量装置及磁芯匝数选取 方法
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种大尺寸磁芯高频磁化特性的测量装置及磁芯匝数选取方法。
背景技术
电力电子高频开关电源领域对磁芯高频磁化特性测量有较多需求。然而，开关电源领域磁芯尺寸一般较小，可使用普通磁化特性测量仪器得到高频磁滞曲线。在脉冲功率领域，磁芯体积通常是普通开关电源磁芯的几倍到几十倍，且工作在数十到数百千赫兹的磁化频率下，常要求磁化至饱和状态。现有的高频磁化特性测量装置难以测量大尺寸磁芯的高频磁化特性。
常用的高频条件下的磁芯，其外径一般小于50mm，但脉冲功率条件下的磁芯，在等值频率较高的条件下，其外径一般大于100mm，有的甚至达到200～300mm。因此，本文中大尺寸磁芯是指外径大于100mm的磁芯。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种大尺寸磁芯高频磁化特性测量装置及磁芯匝数选取方法，旨在解决励磁功率与磁芯尺寸无明确对应关系的问题。
本发明提供了一种大尺寸磁芯高频磁化特性的测量装置，包括依次连接的信号发生器、功率放大器、隔离偏置单元和磁芯绕组；所述信号发生器产生的低幅值函数信号经所述功率放大器放大后，通过所述隔离偏置单元为所述磁芯绕组提供具有特定函数激励波形的激励波。其中，低幅值函数信号一般指1V-10V峰值的电压。
更进一步地，所述隔离偏置单元包括：无感电容，串接在所述功率放大器的输出端与所述磁芯绕组之间；当测量不同频率下的磁化曲线时，通过选择与频率匹配的电容值来保证磁芯磁化饱和。
更进一步地，所述磁芯绕组的匝数该式子表征待测磁芯是否可在功率放大器输出激励下达到饱和；其中，u(f,t)为可调激励电压，f为输出电压频率，ro和ri分别是磁芯的外径和内径，A为磁芯横截面积，η为封装系数，Bs为磁芯饱和磁感应强度，N为磁芯绕组匝数，t0为激励波形的半周期。
更进一步地，所述功率放大器的最大输出电流该式子表征待测磁芯饱和时功率放大器输出激励是否超过额定值；其中，umax为可调激励电压u(f,t)的峰值，L为N匝磁芯绕组的电感，f为输出电压频率。
本发明还提供了一种应用于上述的测量装置的磁芯匝数的选取方法，包括下述步骤：
(1)获得所述测量装置中功率放大器输出特性参数最大输出电流Imax和可调激励电压u(f,t)的峰值Vmax，获得待测磁芯的出厂参数磁芯饱和磁感应强度Bs、封装系数η、磁芯横截面积A、磁芯的外径ro、磁芯的内径ri及相对磁导率μr；
(2)计算使磁芯达到饱和时的最大匝数Nmax以及使功率放大器处于最大输出特性时磁芯的最小匝数Nmin；
(3)当所述最大匝数Nmax大于所述最小匝数Nmin时，在所述最大匝数Nmax与所述最小匝数Nmin之间任选一匝数作为所述待测磁芯的匝数。
更进一步地，所述功率放大器处于最大输出特性为：功率放大器的最大输出电流umax为可调激励电压u(f,t)的峰值，L为N匝磁芯绕组的电感，f为输出电压频率。
更进一步地，所述待测磁芯的匝数N满足以下公式：
由于在实验前无法预估该磁芯的磁化曲线测量能否在已有测量条件下进行，测量时其匝数的选取也是未知，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，既能计算特定测量平台能够满足的磁芯极限尺寸、匝数，又能为大尺寸磁芯测量选用合适参数的实验测量平台。
附图说明
图1是本发明实施例提供的大尺寸磁芯高频磁化特性测量装置的结构原理框图。
图2是一个典型的不对称磁滞回线测量结果。
图3是本发明实施例提供的增加隔离偏置单元后对称磁滞回线测量结果。
图4是本发明实施例提供的大尺寸磁芯高频磁化特性测量装置的磁芯匝数选取方法实现流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是测量大尺寸磁芯的高频磁化特性，解决励磁功率与磁芯尺寸无明确对应关系的问题，提高大尺寸磁芯高频磁化特性测量的针对性与高效性。
本发明提供的一种大尺寸磁芯高频磁化特性测量装置包括信号发生器、功率放大器、隔离偏置单元、磁芯绕组，功率放大器需经隔离偏置单元为磁芯绕组提供激励；适用磁芯选取方法包括第一磁芯匝数限定公式、第二磁芯匝数限定公式、尺寸匝数判据，其特征在于所述两个磁芯匝数限定公式由功率放大器电气参数和磁芯出厂参数推出，尺寸匝数判据由功率放大器输出参数推出。
在本发明实施例中，信号发生器产生低幅值函数信号，经功率放大器放大为磁芯提供特定函数激励波形。隔离偏置单元由无感电容制成，串接在功率放大器和磁芯绕组之间。
第一磁芯匝数限定公式表征待测磁芯是否可在功率放大器输出激励下达到饱和。第二磁芯匝数限定公式表征待测磁芯饱和时功率放大器输出激励是否超过额定值。第一磁芯匝数限定公式和第二磁芯匝数限定公式必须共同满足共同所述尺寸匝数判据。
以上配置的根据本发明实施例的大尺寸磁芯高频磁化特性测量装置及磁芯匝数选取方法能够克服励磁电源的固有不对称性，可测量较大尺寸磁芯在数百千赫兹激励下的饱和磁滞回线。
此外，以上配置的根据本发明实施例的大尺寸磁芯高频磁化特性测量装置及磁芯匝数选取方法一方面可用于现有测量装置的针对性使用，另一方面可作为面向特定尺寸磁芯高频饱和磁滞回线测量装置设计的重要依据。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是一种大尺寸磁芯高频磁化特性测量装置结构框图，测量装置包括信号发生器、功率放大器、隔离偏置单元、磁芯绕组。在高频周期励磁作用下，由于信号源和高频功率放大器器件的固有特性，常会输出一定直流偏置电流，这会导致周期励磁的不对称性，进而造成测量的磁滞回线不对称，一个典型的不对称磁滞回线测量结果如图2所示。大尺寸磁芯的磁化特性测量需要高功率的功率放大器和高输入参数的信号发生源，因此测量中的直流偏置被放大，影响稳态磁滞回线的测量。为了避免不对称的周期励磁，本发明测量装置的功率放大器需经隔离偏置单元为磁芯绕组提供激励。隔离偏置单元一无感电容，串接在功率放大器输出端与磁芯绕组之间，当测量装置测量不同频率下的磁化曲线时，能够方便的替换不同参数的无感电容，保证磁芯磁化饱和。采用了隔离偏置单元后测得的某条件下对称的磁滞回线如图3所示。
图4示出了一种大尺寸磁芯高频磁化特性测量装置的磁芯匝数选取方法的实现流程，具体包括如下步骤：
(1)获得测量装置平台功率放大器输出特性参数Imax和Vmax，获得所测磁芯的出厂参数Bs、η、A、ro、ri及μr；
(2)计算使磁芯达到饱和的最大匝数Nmax，及功率放大器最大输出特性时磁芯的最小匝数Nmin；
(3)如果最大匝数Nmax小于最小匝数Nmin，则该磁芯不能用于装置测量。如果最大匝数Nmax大于最小匝数Nmin，则应该在两个匝数之间选取某一匝数，在待测磁芯上绕制测量其饱和磁化曲线。
在脉冲功率领域，磁芯体积通常是普通开关电源磁芯的几倍到几十倍，且工作在数十到数百千赫兹的磁化频率下，常要求磁化至饱和状态。高频下，隔离偏置单元的电容的容抗较小，可以忽略，认为功率放大器输出电压全部施加在磁芯绕组两端。为了保证磁芯磁化至饱和，需满足：其中，f为输出电压频率，ro和ri分别是磁芯的外径和内径，A为磁芯横截面积，η为封装系数，Bs为磁芯饱和磁感应强度，N为磁芯绕组匝数，t0为激励波形的半周期。由(1)式即可得到为达到磁芯饱和，功率放大器输出特性所能满足的最大磁芯绕组匝数Nmax，(1)式即为第一磁芯匝数限定公式。
第一磁芯匝数限定公式仅限定了磁芯绕组的最大匝数。测量时，N越小，感抗越小，流过绕组的电流越大。假设磁芯在励磁波形半周期前一瞬间达到饱和，此时流过磁芯绕组的电流幅值不应大于功率放大器输出电流最大值。根据文献[环形磁芯脉冲磁化测量分析]，磁芯饱和前后电流波形为连续的等值频率不同的正弦波形，而饱和时的临界电流幅值是由磁芯未饱和前的电感决定的。因此，为了保证输出电流幅值不超过功率放大器输出限制，以正弦激励下的环形磁芯测量为例，还应满足：其中，umax为可调激励电压u(f,t)的峰值，有0≤umax≤Vmax……(3)；Imax为功率放大器的最大输出电流，L为N匝磁芯绕组的电感，可表示为：其中，μ0为真空中磁导率，μr为磁芯相对磁导率，ro和ri分别为环形磁芯的外半径和内半径。将(4)代入(2)，易得
由(5)式即可得到在正弦激励下的环形磁芯测量条件下，保证输出电流幅值不超过功率放大器输出限制的最小磁芯绕组匝数Nmin，(5)式即为第二磁芯匝数限定公式。
在磁芯参数确定的条件下，(1)式和(5)式分别界定了使用大尺寸磁芯高频磁化特性测量装置时磁芯绕组匝数的最大值Nmax和最小值Nmin。一般功率放大器输出电压可调，应在(3)式范围内检验(1)式和(5)式元素的集合是否有非空交集。因此磁芯匝数判据为：当且仅当在(3)式范围内检验(1)式和(5)式元素的集合存在非空交集时，才可按计算结果使用功率放大器测量大尺寸磁芯的高频饱和磁滞回线。
此外，需要指出的是，虽然第一磁芯匝数限定公式、第二磁芯匝数限定公式和磁芯匝数判据检验的是匝数N，但显然它们均与磁芯尺寸、磁特性参数密切相关。因此，以上选取方法一方面可用于现有测量装置的针对性使用，确定是否可利用现有平台进行某一参数磁芯的测量；另一方面可作为面向特定尺寸磁芯高频饱和磁滞回线测量装置设计的重要依据，根据需要进行测量装置尤其是功率放大器输出特性的设计和选择。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大尺寸磁芯高频磁化特性的测量装置，其特征在于，包括依次连接的信号发生器、功率放大器、隔离偏置单元和磁芯绕组；所述信号发生器产生的低幅值函数信号，经所述功率放大器放大后，通过所述隔离偏置单元为所述磁芯绕组提供具有特定函数激励波形的激励波。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述隔离偏置单元包括：无感电容，串接在所述功率放大器的输出端与所述磁芯绕组之间；当测量不同频率下的磁化曲线时，通过选择与频率匹配的电容值来保证磁芯磁化饱和。
3.如权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述磁芯绕组的匝数u(f,t)为可调激励电压，f为输出电压频率，ro和ri分别是磁芯的外径和内径，A为磁芯横截面积，η为封装系数，Bs为磁芯饱和磁感应强度，N为磁芯绕组匝数，t0为激励波形的半周期。
4.如权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于，所述功率放大器的最大输出电流umax为可调激励电压u(f,t)的峰值，L为N匝磁芯绕组的电感，f为输出电压频率。
5.一种应用于权利要求1所述的测量装置的磁芯匝数的选取方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)获得所述测量装置中功率放大器输出特性参数最大输出电流Imax和可调激励电压u(f,t)的峰值Vmax，获得待测磁芯的出厂参数：磁芯饱和磁感应强度Bs、封装系数η、磁芯横截面积A、磁芯的外径ro、磁芯的内径ri及相对磁导率μr；
(2)计算使磁芯达到饱和时的最大匝数Nmax以及使功率放大器处于最大输出特性时磁芯的最小匝数Nmin；
(3)当所述最大匝数Nmax大于所述最小匝数Nmin时，在所述最大匝数Nmax与所述最小匝数Nmin之间任选一匝数作为所述待测磁芯的匝数。
6.如权利要求3所述的选取方法，其特征在于，所述功率放大器处于最大输出特性为：功率放大器的最大输出电流umax为可调激励电压u(f,t)的峰值，L为N匝磁芯绕组的电感，f为输出电压频率。
7.如权利要求3所述的选取方法，其特征在于，所述待测磁芯的匝数N满足以下公式：其中，f为输出电压频率、umax为可调激励电压u(f,t)的峰值，t0为激励波形的半周期、L为N匝磁芯绕组的电感、Bs为磁芯饱和磁感应强度、η为封装系数、A为磁芯横截面积、ro为磁芯的外径、ri为磁芯的内径、μr为相对磁导率。
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