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(cè)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(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域?qū)Υ判靖哳l磁化特性測(cè)量有較多需求。然而，開(kāi)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(cè)量?jī)x器得到高頻磁滯曲線(xiàn)。在脈沖功率領(lǐng)域，磁芯體積通常是普通開(kāi)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(cè)量裝置難以測(cè)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(duì)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(cè)量裝置及磁芯匝數(shù)選取方法，旨在解決勵(lì)磁功率與磁芯尺寸無(wú)明確對(duì)應(yīng)關(guān)系的問(wèn)題。

本發(fā)明提供了一種大尺寸磁芯高頻磁化特性的測(cè)量裝置，包括依次連接的信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、隔離偏置單元和磁芯繞組；所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的低幅值函數(shù)信號(hào)經(jīng)所述功率放大器放大后，通過(guò)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(lì)波形的激勵(lì)波。其中，低幅值函數(shù)信號(hào)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(wú)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(cè)量不同頻率下的磁化曲線(xiàn)時(shí)，通過(guò)選擇與頻率匹配的電容值來(lái)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(cè)磁芯是否可在功率放大器輸出激勵(lì)下達(dá)到飽和；其中，u(f,t)為可調(diào)激勵(lì)電壓，f為輸出電壓頻率，r_o和r_i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)，B_s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(lì)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(cè)磁芯飽和時(shí)功率放大器輸出激勵(lì)是否超過(guò)額定值；其中，u_max為可調(diào)激勵(lì)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(cè)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(cè)量裝置中功率放大器輸出特性參數(shù)最大輸出電流I_max和可調(diào)激勵(lì)電壓u(f,t)的峰值V_max，獲得待測(cè)磁芯的出廠參數(shù)磁芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B_s、封裝系數(shù)η、磁芯橫截面積A、磁芯的外徑r_o、磁芯的內(nèi)徑r_i及相對(duì)磁導(dǎo)率μ_r；

(2)計(jì)算使磁芯達(dá)到飽和時(shí)的最大匝數(shù)N_max以及使功率放大器處于最大輸出特性時(shí)磁芯的最小匝數(shù)N_min；

(3)當(dāng)所述最大匝數(shù)N_max大于所述最小匝數(shù)N_min時(shí)，在所述最大匝數(shù)N_max與所述最小匝數(shù)N_min之間任選一匝數(shù)作為所述待測(cè)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u_max為可調(diào)激勵(lì)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(cè)磁芯的匝數(shù)N滿(mǎn)足以下公式：

由于在實(shí)驗(yàn)前無(wú)法預(yù)估該磁芯的磁化曲線(xiàn)測(cè)量能否在已有測(cè)量條件下進(jìn)行，測(cè)量時(shí)其匝數(shù)的選取也是未知，通過(guò)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(jì)算特定測(cè)量平臺(tái)能夠滿(mǎn)足的磁芯極限尺寸、匝數(shù)，又能為大尺寸磁芯測(cè)量選用合適參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)。

附圖說(shuō)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(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)原理框圖。

圖2是一個(gè)典型的不對(duì)稱(chēng)磁滯回線(xiàn)測(cè)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(duì)稱(chēng)磁滯回線(xiàn)測(cè)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(cè)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(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是測(cè)量大尺寸磁芯的高頻磁化特性，解決勵(lì)磁功率與磁芯尺寸無(wú)明確對(duì)應(yīng)關(guān)系的問(wèn)題，提高大尺寸磁芯高頻磁化特性測(cè)量的針對(duì)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(cè)量裝置包括信號(hào)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(lì)；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(gè)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(hào)發(fā)生器產(chǎn)生低幅值函數(shù)信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大為磁芯提供特定函數(shù)激勵(lì)波形。隔離偏置單元由無(wú)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(cè)磁芯是否可在功率放大器輸出激勵(lì)下達(dá)到飽和。第二磁芯匝數(shù)限定公式表征待測(cè)磁芯飽和時(shí)功率放大器輸出激勵(lì)是否超過(guò)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(mǎn)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(cè)量裝置及磁芯匝數(shù)選取方法能夠克服勵(lì)磁電源的固有不對(duì)稱(chēng)性，可測(cè)量較大尺寸磁芯在數(shù)百千赫茲激勵(lì)下的飽和磁滯回線(xiàn)。

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(cè)量裝置及磁芯匝數(shù)選取方法一方面可用于現(xiàn)有測(cè)量裝置的針對(duì)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(xiàn)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)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(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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(cè)量裝置結(jié)構(gòu)框圖，測(cè)量裝置包括信號(hào)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(lì)磁作用下，由于信號(hào)源和高頻功率放大器器件的固有特性，常會(huì)輸出一定直流偏置電流，這會(huì)導(dǎo)致周期勵(lì)磁的不對(duì)稱(chēng)性，進(jìn)而造成測(cè)量的磁滯回線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)，一個(gè)典型的不對(duì)稱(chēng)磁滯回線(xiàn)測(cè)量結(jié)果如圖2所示。大尺寸磁芯的磁化特性測(cè)量需要高功率的功率放大器和高輸入?yún)?shù)的信號(hào)發(fā)生源，因此測(cè)量中的直流偏置被放大，影響穩(wěn)態(tài)磁滯回線(xiàn)的測(cè)量。為了避免不對(duì)稱(chēng)的周期勵(lì)磁，本發(fā)明測(cè)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(lì)。隔離偏置單元一無(wú)感電容，串接在功率放大器輸出端與磁芯繞組之間，當(dāng)測(cè)量裝置測(cè)量不同頻率下的磁化曲線(xiàn)時(shí)，能夠方便的替換不同參數(shù)的無(wú)感電容，保證磁芯磁化飽和。采用了隔離偏置單元后測(cè)得的某條件下對(duì)稱(chēng)的磁滯回線(xiàn)如圖3所示。

圖4示出了一種大尺寸磁芯高頻磁化特性測(cè)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(cè)量裝置平臺(tái)功率放大器輸出特性參數(shù)I_max和V_max，獲得所測(cè)磁芯的出廠參數(shù)B_s、η、A、r_o、r_i及μ_r；

(2)計(jì)算使磁芯達(dá)到飽和的最大匝數(shù)N_max，及功率放大器最大輸出特性時(shí)磁芯的最小匝數(shù)N_min；

(3)如果最大匝數(shù)N_max小于最小匝數(shù)N_min，則該磁芯不能用于裝置測(cè)量。如果最大匝數(shù)N_max大于最小匝數(shù)N_min，則應(yīng)該在兩個(gè)匝數(shù)之間選取某一匝數(shù)，在待測(cè)磁芯上繞制測(cè)量其飽和磁化曲線(xiàn)。

在脈沖功率領(lǐng)域，磁芯體積通常是普通開(kāi)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(mǎn)足：其中，f為輸出電壓頻率，r_o和r_i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)，B_s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(lì)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(mǎn)足的最大磁芯繞組匝數(shù)N_max，(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(cè)量時(shí)，N越小，感抗越小，流過(guò)繞組的電流越大。假設(shè)磁芯在勵(lì)磁波形半周期前一瞬間達(dá)到飽和，此時(shí)流過(guò)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(cè)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(shí)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(guò)功率放大器輸出限制，以正弦激勵(lì)下的環(huán)形磁芯測(cè)量為例，還應(yīng)滿(mǎn)足：其中，u_max為可調(diào)激勵(lì)電壓u(f,t)的峰值，有0≤u_max≤V_max……(3)；I_max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，μ_r為磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率，r_o和r_i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(lì)下的環(huán)形磁芯測(cè)量條件下，保證輸出電流幅值不超過(guò)功率放大器輸出限制的最小磁芯繞組匝數(shù)N_min，(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(cè)量裝置時(shí)磁芯繞組匝數(shù)的最大值N_max和最小值N_min。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(shí)，才可按計(jì)算結(jié)果使用功率放大器測(cè)量大尺寸磁芯的高頻飽和磁滯回線(xiàn)。

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(cè)量裝置的針對(duì)性使用，確定是否可利用現(xiàn)有平臺(tái)進(jìn)行某一參數(shù)磁芯的測(cè)量；另一方面可作為面向特定尺寸磁芯高頻飽和磁滯回線(xiàn)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，根據(jù)需要進(jìn)行測(cè)量裝置尤其是功率放大器輸出特性的設(shè)計(jì)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)。