软磁铁氧体磁心交直流叠加状态分析

软磁铁氧体磁心交直流体磁心交直流叠叠加状态分析

2004年07月02日 10:36

软磁铁氧体磁心交直流叠加状态分析

Analysis of AC/DC bias state in soft magnetic ferrite core

1直流偏磁场、交变工作场与增量磁导率

软磁铁氧体材料作为电感器或变压器磁心的应用十分广泛。在电子电路中，往往要通过磁心绕组的偏流给固体电子器件建立一个适宜的工作点，以使其处于某一要求的工作状态。这种电路中给直流偏压的常用手段，在磁心绕组中则产生一个直流偏磁场，即所谓DC-BIAS。

直流偏磁场的出现使磁心被磁化了，但电感器和变压器中磁心绕组的主要工作任务是用来传输交变信号或功率变换的，因而在实际应用场合，交变磁场与直流磁场同时作用于磁心，则磁心处于交直流叠加状态，通常简称直流叠加。在较低的交变场下，由于场强振幅远低于矫顽力，所以产生的磁滞回线呈椭圆形。如通信线路的音频变压器、滤波器即工作在此状态。在较高的交变场下，随着场强幅度的高低，所产生的磁滞回线也随着工作点的变化而呈现不同倾斜状态，如图一所示。这些小磁滞回线的倾斜度可用它的平均斜率来计量，称作叠加磁导率，即增量磁导率µ∆，从图中可看出：

当交变场即工作场足够小时，磁心制造厂家通常在规定的频率下用较小电压（或电流）测量处于直流偏置下的磁心电感量，即∆H→0时，这时外推的增量磁导率µ∆就等于可逆磁导率µrev，又假如此时直流偏置场也足够小，即 →0时，这时的可逆磁导率µrev就等于起始磁导率µi，但是磁心的使用者，也就是电感变压器的制造商，他们设计时，却并不是这种理想的极端状态。增量磁导率µ∆与可逆磁导率µrev，并非单纯受磁场强度的作用，而是与磁化过程有关，文献[1]给出了相关曲线，如图二所示。

当直流磁场由退磁状态开始逐渐增大，在叠加了一个振幅为∆H/2的交流场以后，磁化曲线上则出现了尖叶状的磁滞回线。当∆H足够小时，其平均斜率与可逆磁导率近似相等。小磁滞回线的倾斜度随着直流磁场的增大而变小，到饱和时，µ∆和µrev接近于1，通常功率变压器和开关电源的设计者并不把工作点选到饱和状态。一般为可用磁通密度，即饱和磁通密度Bs的80%，约400mT左右。而磁心制造厂家，通常测试功耗和振幅磁导率的B s远低于此值，产品检测条件与使用条件的差异，使得磁心制造者与磁心使用者之间有时很难取得对某些性能一致的看法，当沟通不充分时，甚至还会产生制造者不得不降低一些优异性能，而用"削足适履"的下策以适应设计者的初始要求，因为这些要求往往是在设计者只能用最初获得的一般样品制作时所限定的。

2交直流叠加状态分析与改善叠加特性的方法

文献[2]全面分析了磁心在直流预磁化下的特性，指出在功率铁氧体的应用中，很多情况下是方波脉冲电压决定的脉冲磁化，而且单极脉冲磁化在功率铁氧体应用中更为普遍。图三所示为不同的直流偏置和不同的脉冲幅度下，三种典型的小磁滞回线，小回线(1)是经常遇到的典型回线，也就是功率铁氧体磁心的典型工作状态。

当脉冲幅度较大时，其磁化过程如图四所示，从图中可以看出，经过几个脉冲后，小磁滞回线存在起始点，以后重复的脉冲磁化的起始点始终没有变化。这时起始点为0‘，即磁心材料的剩余磁通密度Br处。增量磁导率µ∆为磁通密度增量与磁场强度增量之比。即增量磁导率µ∆与尖叶形小回线中心线的斜率成正比。斜率越大，µ∆越高，从图四可以看出，材料Br越低，小回线中心线斜率越大，则µ∆越高。这与磁性材料基础理论中所讲的一致，即材料磁滞回线呈倾斜型恒导回线时，Br越低，磁导率在直流场下稳定性越好。换句话说，要改善材料的交直流叠加性能，在保证高Bs值的前提下，还必须尽力降低Br值。

为了使磁心工作在较大磁通密度下不致于饱和，通常在磁路中加开气隙，气隙处则建立一个减退磁化作用退磁场Hd，它与磁化强度M的方向相反，与退磁因子N成正比。即：

Hi = H - Hd = H - NM

式中H为磁化磁心的外磁场、Hi为加开隙后磁心内实际场强，N为退磁因子，其值近似为磁路气隙lg与有效磁路长度le之比。气隙lg越小，磁滞回线倾斜程度越小，则Br越大。反之，气隙越大，磁滞回线越是倾斜，Br越小，则交直流叠加性能越好。如图五。

综上所述，改善直流叠加特性的途径为：制造者使材料Bs提高，Br降低，特别是降低Br更可行；使用者则尽可以加开磁路气隙，选用有效磁导率µe 较低的磁心系列。

3磁心设计选用与参数计算

对加开不同气隙，即具有不同有效磁导率µe的磁心，在不同直流偏置场下，其电感量的变化，必须借助一系列性能曲线来进行计算，文献[3]给出了这种设计方向，如图六表示增量磁导率µ∆随直流偏置的变化规律。由图可见，µ∆随直流偏置磁场增大而下降。如果在磁路中引入气隙，将产生两种影响：没有直流偏置场时，气隙使有效磁导率降低，而气隙对µ∆的影响还与直流偏置磁场的大小有关，当直流偏置场较低时，气隙使µ∆下降，当直流偏置场超过某一值时（决定于气隙lg与磁路长度le的比值），气隙使µ∆增大。在实际工作中，常常测出在不同气隙长度下，µ∆随直流偏置场的变化曲线。由图6所示的曲线可见，对应于某一直流偏置场，就有一个相应的气隙长度，给出最大的增量磁导率µ∆。在设计器件时，这些曲线对于确定直流偏置场很有帮助。但是，尚不能利用这些曲线设计带有直流偏置磁场的电感器或变压器。原因是，即使已知要求的电感量，若没有确定µ∆值，仍然无法确定所需匝数，也就无法确定安匝数。这个问题可以用哈纳（Hanna）曲线来解决。

1927年，哈纳提出了对于给定磁心材料，在一定的电感量以及直流偏置电流下，精确确定气隙尺寸的方法，能够使设计者在满足一系列特殊要求下，得到最佳气隙尺寸。

图六表示，在绕组中通过直流电流时，引起磁心饱和，电感量下降。从这些曲线的规律可见，气隙的引入不仅使电感量降低，而且随气隙长度的增大，电感量的降低也愈来愈大。气隙长度愈大，在磁心饱和以前通过的直流电流愈大。

电感量一定时，确定磁心最佳气隙的方法是：根据要求的电感量，确定磁心的尺寸；其次，选取导线的直径d0；选择d0的根据是：具有最小直径的导线在通过直流电流时，导线不出现过热，即在导线上的电压降IR不能太大。然后再考察这种磁心及导线所构成的电感器，在受到直流偏置场作用下，是否出现饱和。如果出现饱和，必须引入较大的气隙，同时，为了克服由此引起的电感量的下降，需要适当增加匝数。有时，需要选用尺寸较大的磁心。这种过程要反复进行多次，直到确定适当大小的磁心和气隙，以使在直流偏置作用下，磁心不会饱和。