本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域,更具體地,涉及一種大尺寸磁芯高頻磁化特性的測量裝置及磁芯匝數(shù)選取方法。
背景技術(shù):
電力電子高頻開關(guān)電源領(lǐng)域?qū)Υ判靖哳l磁化特性測量有較多需求。然而,開關(guān)電源領(lǐng)域磁芯尺寸一般較小,可使用普通磁化特性測量儀器得到高頻磁滯曲線。在脈沖功率領(lǐng)域,磁芯體積通常是普通開關(guān)電源磁芯的幾倍到幾十倍,且工作在數(shù)十到數(shù)百千赫茲的磁化頻率下,常要求磁化至飽和狀態(tài)。現(xiàn)有的高頻磁化特性測量裝置難以測量大尺寸磁芯的高頻磁化特性。
常用的高頻條件下的磁芯,其外徑一般小于50mm,但脈沖功率條件下的磁芯,在等值頻率較高的條件下,其外徑一般大于100mm,有的甚至達(dá)到200~300mm。因此,本文中大尺寸磁芯是指外徑大于100mm的磁芯。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷,本發(fā)明的目的在于提供一種大尺寸磁芯高頻磁化特性測量裝置及磁芯匝數(shù)選取方法,旨在解決勵磁功率與磁芯尺寸無明確對應(yīng)關(guān)系的問題。
本發(fā)明提供了一種大尺寸磁芯高頻磁化特性的測量裝置,包括依次連接的信號發(fā)生器、功率放大器、隔離偏置單元和磁芯繞組;所述信號發(fā)生器產(chǎn)生的低幅值函數(shù)信號經(jīng)所述功率放大器放大后,通過所述隔離偏置單元為所述磁芯繞組提供具有特定函數(shù)激勵波形的激勵波。其中,低幅值函數(shù)信號一般指1V-10V峰值的電壓。
更進(jìn)一步地,所述隔離偏置單元包括:無感電容,串接在所述功率放大器的輸出端與所述磁芯繞組之間;當(dāng)測量不同頻率下的磁化曲線時,通過選擇與頻率匹配的電容值來保證磁芯磁化飽和。
更進(jìn)一步地,所述磁芯繞組的匝數(shù)該式子表征待測磁芯是否可在功率放大器輸出激勵下達(dá)到飽和;其中,u(f,t)為可調(diào)激勵電壓,f為輸出電壓頻率,ro和ri分別是磁芯的外徑和內(nèi)徑,A為磁芯橫截面積,η為封裝系數(shù),Bs為磁芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,N為磁芯繞組匝數(shù),t0為激勵波形的半周期。
更進(jìn)一步地,所述功率放大器的最大輸出電流該式子表征待測磁芯飽和時功率放大器輸出激勵是否超過額定值;其中,umax為可調(diào)激勵電壓u(f,t)的峰值,L為N匝磁芯繞組的電感,f為輸出電壓頻率。
本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用于上述的測量裝置的磁芯匝數(shù)的選取方法,包括下述步驟:
(1)獲得所述測量裝置中功率放大器輸出特性參數(shù)最大輸出電流Imax和可調(diào)激勵電壓u(f,t)的峰值Vmax,獲得待測磁芯的出廠參數(shù)磁芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、封裝系數(shù)η、磁芯橫截面積A、磁芯的外徑ro、磁芯的內(nèi)徑ri及相對磁導(dǎo)率μr;
(2)計算使磁芯達(dá)到飽和時的最大匝數(shù)Nmax以及使功率放大器處于最大輸出特性時磁芯的最小匝數(shù)Nmin;
(3)當(dāng)所述最大匝數(shù)Nmax大于所述最小匝數(shù)Nmin時,在所述最大匝數(shù)Nmax與所述最小匝數(shù)Nmin之間任選一匝數(shù)作為所述待測磁芯的匝數(shù)。
更進(jìn)一步地,所述功率放大器處于最大輸出特性為:功率放大器的最大輸出電流umax為可調(diào)激勵電壓u(f,t)的峰值,L為N匝磁芯繞組的電感,f為輸出電壓頻率。
更進(jìn)一步地,所述待測磁芯的匝數(shù)N滿足以下公式:
由于在實(shí)驗(yàn)前無法預(yù)估該磁芯的磁化曲線測量能否在已有測量條件下進(jìn)行,測量時其匝數(shù)的選取也是未知,通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案,與現(xiàn)有技術(shù)相比,既能計算特定測量平臺能夠滿足的磁芯極限尺寸、匝數(shù),又能為大尺寸磁芯測量選用合適參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量平臺。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的大尺寸磁芯高頻磁化特性測量裝置的結(jié)構(gòu)原理框圖。
圖2是一個典型的不對稱磁滯回線測量結(jié)果。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的增加隔離偏置單元后對稱磁滯回線測量結(jié)果。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的大尺寸磁芯高頻磁化特性測量裝置的磁芯匝數(shù)選取方法實(shí)現(xiàn)流程圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷,本發(fā)明的目的是測量大尺寸磁芯的高頻磁化特性,解決勵磁功率與磁芯尺寸無明確對應(yīng)關(guān)系的問題,提高大尺寸磁芯高頻磁化特性測量的針對性與高效性。
本發(fā)明提供的一種大尺寸磁芯高頻磁化特性測量裝置包括信號發(fā)生器、功率放大器、隔離偏置單元、磁芯繞組,功率放大器需經(jīng)隔離偏置單元為磁芯繞組提供激勵;適用磁芯選取方法包括第一磁芯匝數(shù)限定公式、第二磁芯匝數(shù)限定公式、尺寸匝數(shù)判據(jù),其特征在于所述兩個磁芯匝數(shù)限定公式由功率放大器電氣參數(shù)和磁芯出廠參數(shù)推出,尺寸匝數(shù)判據(jù)由功率放大器輸出參數(shù)推出。
在本發(fā)明實(shí)施例中,信號發(fā)生器產(chǎn)生低幅值函數(shù)信號,經(jīng)功率放大器放大為磁芯提供特定函數(shù)激勵波形。隔離偏置單元由無感電容制成,串接在功率放大器和磁芯繞組之間。
第一磁芯匝數(shù)限定公式表征待測磁芯是否可在功率放大器輸出激勵下達(dá)到飽和。第二磁芯匝數(shù)限定公式表征待測磁芯飽和時功率放大器輸出激勵是否超過額定值。第一磁芯匝數(shù)限定公式和第二磁芯匝數(shù)限定公式必須共同滿足共同所述尺寸匝數(shù)判據(jù)。
以上配置的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的大尺寸磁芯高頻磁化特性測量裝置及磁芯匝數(shù)選取方法能夠克服勵磁電源的固有不對稱性,可測量較大尺寸磁芯在數(shù)百千赫茲激勵下的飽和磁滯回線。
此外,以上配置的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的大尺寸磁芯高頻磁化特性測量裝置及磁芯匝數(shù)選取方法一方面可用于現(xiàn)有測量裝置的針對性使用,另一方面可作為面向特定尺寸磁芯高頻飽和磁滯回線測量裝置設(shè)計的重要依據(jù)。
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
圖1是一種大尺寸磁芯高頻磁化特性測量裝置結(jié)構(gòu)框圖,測量裝置包括信號發(fā)生器、功率放大器、隔離偏置單元、磁芯繞組。在高頻周期勵磁作用下,由于信號源和高頻功率放大器器件的固有特性,常會輸出一定直流偏置電流,這會導(dǎo)致周期勵磁的不對稱性,進(jìn)而造成測量的磁滯回線不對稱,一個典型的不對稱磁滯回線測量結(jié)果如圖2所示。大尺寸磁芯的磁化特性測量需要高功率的功率放大器和高輸入?yún)?shù)的信號發(fā)生源,因此測量中的直流偏置被放大,影響穩(wěn)態(tài)磁滯回線的測量。為了避免不對稱的周期勵磁,本發(fā)明測量裝置的功率放大器需經(jīng)隔離偏置單元為磁芯繞組提供激勵。隔離偏置單元一無感電容,串接在功率放大器輸出端與磁芯繞組之間,當(dāng)測量裝置測量不同頻率下的磁化曲線時,能夠方便的替換不同參數(shù)的無感電容,保證磁芯磁化飽和。采用了隔離偏置單元后測得的某條件下對稱的磁滯回線如圖3所示。
圖4示出了一種大尺寸磁芯高頻磁化特性測量裝置的磁芯匝數(shù)選取方法的實(shí)現(xiàn)流程,具體包括如下步驟:
(1)獲得測量裝置平臺功率放大器輸出特性參數(shù)Imax和Vmax,獲得所測磁芯的出廠參數(shù)Bs、η、A、ro、ri及μr;
(2)計算使磁芯達(dá)到飽和的最大匝數(shù)Nmax,及功率放大器最大輸出特性時磁芯的最小匝數(shù)Nmin;
(3)如果最大匝數(shù)Nmax小于最小匝數(shù)Nmin,則該磁芯不能用于裝置測量。如果最大匝數(shù)Nmax大于最小匝數(shù)Nmin,則應(yīng)該在兩個匝數(shù)之間選取某一匝數(shù),在待測磁芯上繞制測量其飽和磁化曲線。
在脈沖功率領(lǐng)域,磁芯體積通常是普通開關(guān)電源磁芯的幾倍到幾十倍,且工作在數(shù)十到數(shù)百千赫茲的磁化頻率下,常要求磁化至飽和狀態(tài)。高頻下,隔離偏置單元的電容的容抗較小,可以忽略,認(rèn)為功率放大器輸出電壓全部施加在磁芯繞組兩端。為了保證磁芯磁化至飽和,需滿足:其中,f為輸出電壓頻率,ro和ri分別是磁芯的外徑和內(nèi)徑,A為磁芯橫截面積,η為封裝系數(shù),Bs為磁芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,N為磁芯繞組匝數(shù),t0為激勵波形的半周期。由(1)式即可得到為達(dá)到磁芯飽和,功率放大器輸出特性所能滿足的最大磁芯繞組匝數(shù)Nmax,(1)式即為第一磁芯匝數(shù)限定公式。
第一磁芯匝數(shù)限定公式僅限定了磁芯繞組的最大匝數(shù)。測量時,N越小,感抗越小,流過繞組的電流越大。假設(shè)磁芯在勵磁波形半周期前一瞬間達(dá)到飽和,此時流過磁芯繞組的電流幅值不應(yīng)大于功率放大器輸出電流最大值。根據(jù)文獻(xiàn)[環(huán)形磁芯脈沖磁化測量分析],磁芯飽和前后電流波形為連續(xù)的等值頻率不同的正弦波形,而飽和時的臨界電流幅值是由磁芯未飽和前的電感決定的。因此,為了保證輸出電流幅值不超過功率放大器輸出限制,以正弦激勵下的環(huán)形磁芯測量為例,還應(yīng)滿足:其中,umax為可調(diào)激勵電壓u(f,t)的峰值,有0≤umax≤Vmax……(3);Imax為功率放大器的最大輸出電流,L為N匝磁芯繞組的電感,可表示為:其中,μ0為真空中磁導(dǎo)率,μr為磁芯相對磁導(dǎo)率,ro和ri分別為環(huán)形磁芯的外半徑和內(nèi)半徑。將(4)代入(2),易得
由(5)式即可得到在正弦激勵下的環(huán)形磁芯測量條件下,保證輸出電流幅值不超過功率放大器輸出限制的最小磁芯繞組匝數(shù)Nmin,(5)式即為第二磁芯匝數(shù)限定公式。
在磁芯參數(shù)確定的條件下,(1)式和(5)式分別界定了使用大尺寸磁芯高頻磁化特性測量裝置時磁芯繞組匝數(shù)的最大值Nmax和最小值Nmin。一般功率放大器輸出電壓可調(diào),應(yīng)在(3)式范圍內(nèi)檢驗(yàn)(1)式和(5)式元素的集合是否有非空交集。因此磁芯匝數(shù)判據(jù)為:當(dāng)且僅當(dāng)在(3)式范圍內(nèi)檢驗(yàn)(1)式和(5)式元素的集合存在非空交集時,才可按計算結(jié)果使用功率放大器測量大尺寸磁芯的高頻飽和磁滯回線。
此外,需要指出的是,雖然第一磁芯匝數(shù)限定公式、第二磁芯匝數(shù)限定公式和磁芯匝數(shù)判據(jù)檢驗(yàn)的是匝數(shù)N,但顯然它們均與磁芯尺寸、磁特性參數(shù)密切相關(guān)。因此,以上選取方法一方面可用于現(xiàn)有測量裝置的針對性使用,確定是否可利用現(xiàn)有平臺進(jìn)行某一參數(shù)磁芯的測量;另一方面可作為面向特定尺寸磁芯高頻飽和磁滯回線測量裝置設(shè)計的重要依據(jù),根據(jù)需要進(jìn)行測量裝置尤其是功率放大器輸出特性的設(shè)計和選擇。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。