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直流偏置对功率铁氧体性能影响的研究 |
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作者：福州大学 李智华 罗恒廉 费鸿俊 |
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摘要：在电力电子技术中应用的铁氧体铁心磁性元件，其铁心中往往存在直流或低频交流预磁化的情况。有关预磁化对铁氧体特性的影响程度不是很明确，因此一般都假设很小，在磁件设计中不预于考虑。本文对有直流偏置的铁氧体的磁导率和损耗进行了测试分析，结果表明在很多情况下，直流偏置的影响非常显著，应该考虑。
关键词：功率铁氧体；直流偏置；磁导率；铁损
1 概述
由铁氧体铁心构成的磁性元件广泛应用于电力电子技术中，如开关电源、高频AC/DC 变换器及DC/AC 逆变器中都有铁氧体铁心磁件。在这些应用中，有很多存在预磁化的情况，即铁氧体铁心不仅受高频交流磁化，而且还有直流或低频交流分量对铁心产生预磁化。如开关电源中的输入、输出滤波电感的铁心中就有直流预磁化，正激式或反激式变换器中的隔离变压器铁心中的磁通变化不对称等。
尽管在很多领域中应用的磁件铁心存在预磁化现象，但是有关它对材料特性影响(如磁导率和交流损耗) 的信息却几乎没有，一般假设预磁化影响很小，所以在磁件设计时不考虑它的存在，这样虽然简化了磁件的设计过程，但是这个假设的适用性还有待于进一步检验和确定。
2 目前有关预磁化对材料特性影响的资料信息
功率铁氧体的生产商[1]没有提供与直流预磁化有关的任何数据，仅有增量磁导率与偏置场强的关系图。由于增量磁导率是对应很小的交变磁场定义的，因此对一个大的直流磁场叠加一个很小的交变磁场的应用场合，这个关系图也许有一定的价值。但对于功率电磁元件，由于它们工作在高频、高激励、强磁场的情况，这个关系图就几乎没有什么应用价值了。
图1硅钢损耗功率与偏置磁密的关系图
对于铁磁性材料(硅钢、电工纯铁、碳钢等) ，Bozorth[2] 证明其损耗功率随着偏置场的增大而增大，如图1所示。图中横坐标为直流磁密，单位是高斯，纵坐标是损耗功率，单位是mW/cm 3，图中的数字是交流磁密值。
对于非金属软磁材料铁氧体，Brockmeyer[3，4 ]通过对3F3和N 27两种典型功率铁氧体，在有直流偏置作用下的损耗进行测试，表明铁氧体的损耗与直流偏置之间存在与铁磁材料相类似的关系。本文将在此基础上，进一步分析和研究直流预磁化对铁氧体特性的影响。
3 实验测试电路
此前，我们曾经采用规格为φ10/6 ×5的国产K5型铁氧体环型铁心，在铁心上绕N1、N2两个绕组，分别为2匝和10匝。将N 1短路，利用数字电感计DL 26243 (3. 5位) 测量N 2两端的电感近似为漏感LR。然后将N1绕组通过一个可调电阻R v 接直流稳压电源，调节R v的大小，给N 1 输入一个由小变大的直流电流，测量N2两端相应的电感值L 。铁氧体的相对磁导率可以近似用L与LR 的比值表示。实验结果表明: K5铁氧体的磁导率随直流偏置电流的增大而减小。
为了进一步研究直流偏置对铁氧体特性的影响，我们采用图2所示的测试电路图，对中日合资上海瀛赛拉磁性器件公司生产的规格为FRφ30/13×9的NC22H 材料(特性与TDK 的PC40材料相近) 的环型铁氧体铁心进行了一系列测试。
图2测试电路图
图2中，被测铁心上有三个绕组: N1、N2和Nb。Nb是直流偏置绕组，它通过一个1H的大电感L 1与直流稳压电源相连。L1用于抑制直流绕组上的交流电压，测量Nb两端的纹波电压，应确保它远远小于交流激励源的大小。N1是激磁绕组，接交流电源;N 2是测试绕组，用来感测铁心中磁密的变化，接测试探针。SY28232 B2H分析仪，来测量高频、交流正弦信号激励的、且有直流偏置的铁心损耗、磁导率及功率因数角等参数。
4 测试结果与分析
众所周知: 磁导率和损耗是表征铁磁材料特性的两个最基本的参数，因此本文主要讨论直流偏置对磁导率和损耗的影响。
(1) 直流偏置对磁导率的影响
将测试出的有直流偏置的铁氧体磁导率与交流磁场强度的关系画在图3中。
图3磁导率与交流磁场的关系图
由图3可以看出: 对应相同的交流磁场强度，随着直流偏置的增大，磁导率呈下降趋势。
(2) 直流偏置对损耗的影响
由于铁心中的直流磁密不产生感应电动势，所以直流磁密的大小不能直接测量出来。但是根据直流电流的大小、偏置绕组的匝数和铁心磁路的有效长度，可以知道直流磁场强度，然后根据铁心材料的静态磁化曲线，利用数值插值法就可以计算出任意直流磁场强度对应的直流磁密的大小。
图4 不同大小的直流偏置下的磁滞回线
在图4中我们给出了铁心在80kHz 的正弦电压激励下的一系列磁滞回环，由图可以看出回环的面积和形状随直流偏置磁密的变化而变化。在50kHz 下，T = 20℃时，对应不同的交流和直流磁密，测量反复磁化损耗，将损耗与直流偏置的关系做成Bozo rth 形式的关系图，如图5所示。
图5 损耗功率与直流偏置的关系
图5表明: 当交流磁密较小的时候，如Bac< 150mT，且Bdc远小于Bs 时，直流偏置对损耗的影响很小，可以忽略不计。但是当交流磁密较大时，如Bac≥150mT，即使Bdc不大，损耗也明显地随直流偏置的增大而增大，此时就不能再忽略直流偏置的影响了。
软磁铁氧体的铁损可以由Steinmetz 经验公式来近似计算，这个公式将损耗功率定义为反复磁化频率f 和峰值磁密B m 的函数，其中有三个与工作频率、峰值磁密和材料等有关的参数C、α、β:
Pcv = CfαBmβ
公式中的三个参数，在生产商提供的材料数据手册中一般都会给出，或者可以通过对手册中的损耗频率特性曲线和损耗磁通密度曲线进行数据拟合来得到。将式(1) 两边取对数有:
logPcv = logC + αlogf + βlogBm (2)
由于C 是常数，所以在对数坐标上，损耗的频率特性及损耗的磁通密度特性都呈线性关系。若工作频率保持不变，则αlogf 为常数，(2) 式可以表示为：
logPcv = βlogB m + K (3)
其中K = logC + αlogf，β是直线的斜率，从P cv—B m 直线上取两个点(Pcv1，Bm1)，(Pcv2，Bm2)，则幂指数β就可以通过下式计算出来：
如果保持峰值磁密不变，A就是直线的斜率，在Pcv—f直线上取两点(P′cv1，f1) 和
(P′cv2，f2)，幂指数A也可以计算出来：
知道了α和β，常数项C 就很容易求出了。取频率为f 、峰值磁密Bm 对应的损耗功率Pcv，则C =Pcv/fαBβm。这样损耗计算公式中的常数和幂指数就都已知了。上面的计算过程也可以用来对测试数据进行拟合。但是这个公式只适用于对称的正弦激励的情况，当铁心中有一定的直流偏置的时候，铁心不再是对称激磁，这个公式也就不适用了。如果我们将公式(1) 进行适当的变化，使它能够包含直流偏置对铁氧体反复磁化损耗的作用，就比较理想了。下面，我们将有直流偏置的损耗功率的磁通密度特性画在图6中。
图6损耗功率的磁通密度特性
从图中可以看出: 在对数坐标上，对应较小的直流偏置，如Bdc< 100mT，有直流偏置的损耗曲线和没有直流偏置的损耗曲线之间是平行的，斜率β没有变化；对应较小的交流磁通密度，如Bac< 150mT，即使直流偏置磁密大于100 mT，曲线之间也仍然保持平行，斜率β恒定。在这些情况下，直流偏置只是使损耗曲线平行上移了一个小位移，这在对数坐标上表示增加了一个常数项，反映到Steinmetz 公式中，就是多了一个常系数k：
显然，系数k 是直流磁密B dc的函数，有关直流偏置对损耗的影响与频率的关系我们将在另外的文章中给出。
5 结论
本文对有直流偏置的铁氧体铁心的测试结果表明: 直流偏置确实对铁氧体的特性有一定的影响，铁氧体的磁导率随着直流偏置的增大而减小，直流偏置的存在使铁氧体的反复磁化损耗增大，尤其是当交流磁通密度较大(如B ac> 150mT ) 或直流磁通密度较大时(如B dc> 100mT ) 时，由直流偏置引起的铁氧体损耗增加很明显，不容忽视。试验测试获得的图形与结论，可以为存在直流偏置或低频预磁化的磁件的设计过程提供一些有用的参考信息和依据。(end)
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(1/5/2011) |
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