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轻松入门学电源(3):从磁性材料、磁芯到电感及变压器,理解磁滞回线

时间:2018-06-06 来源:松哥电源 关键字:开关电源   电压   变压器   

1、磁性材料

本文引用地址: http://power.21ic.com//ldo/technical/201806/63878.html

所有做高频电力电子系统及开关电源的工程师都离不开电感、变压器或电机等感性元件。感性元件内部具有磁芯,磁芯由磁性材料加工而成,感性元件高频开关工作过程中,磁性材料反复磁化。磁化过程中,磁滞回线就是表征磁感应强度B与磁场强度H之间的关系的曲线,如图1所示。

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图1:特定磁性材料的磁滞回线

磁性材料确定后,其对应的磁滞回线也就确定:

B = μ·H

其中,μ为磁性材料在空气的磁导率。

磁感应强度B的改变滞后于磁场强度H的现象称为磁滞现象。图2中,磁滞回线表示磁性材料工作的最大边界,Bs为饱和磁通密度(饱和磁感应强度),Br为剩余磁感应强度,Hc为矫顽力。

2、磁芯

如果将磁性材料烧结成一定的形状,制作成磁芯,比如E形、环形等,磁芯具有一定几荷尺寸:截面积、磁路长度。由下面的公式:

F = H·l

Φ = B·Ae

其中,Φ为磁通量,Ae为磁芯截面积,F为磁势,l为磁路长度。

图2中,X轴由H变成F,Y轴由B变为Φ,磁滞回线对应的是磁通量Φ和磁势F的关系曲线,也就是由特定磁性材料制成具一定形状磁芯的磁滞回线,即:

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图2:磁芯的磁滞回线

3、感性元件:电感及变压器

磁芯加上绕组线圈,组成感性元件,如电感、变压器等,由公式:

i = H·l/N -- 安培电流定理

V = N·dΦ /dt -- 法拉利定理

其中,i为线圈绕组的电流,N为线圈绕组匝数,V为感应电压。

同样的,图3中,X轴变成i,Y轴变成V,磁滞回线对应的是感应电压V和电流i的关系曲线,也就是感性元件的磁滞回线,表示感性元件的磁工作特性。

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图3:感性元件的磁滞回线

从上面过程可以看到:磁和电是相互联系,相互转化,也就是磁电不分家的特性。如果在磁芯中加入气隙,由磁路的公式:

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其中,μe为有效磁导率。

磁芯带有气隙后,等效的磁导率降低,同样的绕组匝数,电感量降低,在同样的电压下,需要更大的磁化电流,因此不易饱和,也就是对于同样的绕组匝数,磁芯加气隙,电感或变压器的饱和电流增加。

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图4:加气隙后的磁滞回线

4、单端及双端变换器

如果磁芯只工作在第一象限,如图5所示,这样的变换器称为单端变换器,如:Buck,Boost,Buck-Boost,Cuk,Sepic,反激Flyback,正激Forward变换器等。

每一个开关周期从激磁到去磁,当开关周期结束时,工作点必须回到起始位置,否则工作点会偏入到右上部分饱和区域,磁导率急剧下降,磁芯饱和。每个开关周期结束时磁芯工作点必须回到起始点的特性,称为磁通复位:

△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,这就是所谓的伏秒值平衡。工作于连续模式BUCK变换器:(Vin-Vo)·△Ton = Vo‍·△Toff,本质上,磁通复位和伏秒值平衡的概念是一致的。

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图5:单端变换器磁芯工作状态

如果磁芯只工作在第一、三象限,如图6左图所示,正向和负向激磁是对称的,这样的变换器称为双端变换器,如推挽Push-Pull,半桥Half-Bridge,全桥Full-Bridge变换器等。磁芯在正、负二个方向工作,磁通可以自行复位。

有源钳位反激变换器、有源钳位正激变换器,磁芯工作在正向、负向激磁不对称状态,如图6右图所示。

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图6:双端变换器磁芯对称工作状态,有源钳位反、正激变换器磁芯非对称工作状态

5、电感及变压器饱和电流

电感及变压器的电流增加时,磁芯会饱和,μ急剧降低,也就是电感L会急剧下降,理想状态下,μ=0,相当于电感及变压器的电感为0,变成空心的线圈。电感及变压器的饱和电流通常定义为:电感值降低10%的电流值,有些公司定义为降低30%的电流值。

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