磁放大器

磁放大器能使开关电源得到精确的控制,从而提高了其稳定性。

磁放大器磁芯可以用坡莫合金,铁氧体或非晶,纳米晶(又称超微晶)材料制作。

非晶、纳米晶软磁材料因具有高磁导率,高矩形比和理想的高温稳定性,将其应用于磁放大器中,能提供无与伦比的输出调节精确性,并能取得更高的工作效率,因而倍受青睐。非晶、纳米晶磁芯除上述特点外还具备以下优点:

1、饱和磁导率低;

2、矫顽力低;

3、复原电流小;

4、磁芯损耗少;

磁放大器的原理线路见图1。图中铁心A和B的结构尺寸及材料均相同,每个铁心上绕有直流绕组和交流绕组,两直流绕组和两交流绕组的匝数相同。两直流绕组反接串联后接至直流控制电源。两铁心中的交流磁通Φ~方向相同,而直流磁通Φ=方向则相反。两直流绕组反接串联的目的是为了抵消两铁心中的交流磁通在直流绕组上感应的交变电动势。当直流绕组中输入的直流控制电流为零时,两铁心中均无直流励磁,两交流绕组的电感最大,电抗值也最大,此时交流负载电流为最小。当输入直流控制电流时,铁心中的直流磁通增加,磁通密度相应增加,两交流绕组的电感减小,输出交流负载电流增大。

磁放大器输出电流与输入电流的比值,称为磁放大器的电流放大系数。输出负载功率与输入控制功率的比值,称为磁放大器的功率放大系数。简单磁放大器的输出电流与输入电流的极性

说明图

无关。输入控制电流为零时,输出电流并不等于零,而有一空载电流I0。直流控制电流与交流负载电流的特性见图2。

当输入直流控制电流大到一定程度

原理说明图

后,输出交流负载电流的变化趋于平坦。简单的磁放大器的放大系数较小,要进一步增大放大系数,可将输出的交流电流整流成直流后,作为输入量的一部分反馈到磁放大器中。即在两个铁心上再各绕一个反馈绕组,绕向与直流绕组相同。在交流电路中串联一桥式整流器,被整流后的电流与两个反馈绕组相串联。反馈绕组的匝数越多,输入输出特性越陡。反馈绕组的匝数过多时,则出现特性的跳跃变化(图3), 此时称为磁放大器的继电工作特性。

工作原理说明

利用磁放大器在继电状态下的工作特性做成的无触点磁继电器和磁性逻辑元件,曾在50年代得到一定的运用。随着半导体元件的发展,磁性逻辑元件已被淘汰。但由于磁放大器具有寿命长、过载能力强、可以在振动和冲击条件下工作和无需经常维护等优点,仍用于自动控制、自动调节等自动化系统中。

此电路的优点如下:

1、电路结构简单,使用元器件数量少,除了两只功率管以外,其它元器件均是永久性或半永久性的,可靠性极高,制作也很方便;

2、电路中没有隔离反馈放大器,因此调整极其容易,而且一旦调整好后就无须维护,前级变换功率取决于后级总输出功率;

3、各路的输出特性相互独立,独自调整稳压,无主、辅路之分,所以,各输出电路的负载调整率的交叉负载调整率都非常理想,小于0?5%;

4、磁放大器在功率开通瞬间,处于"开路"状态,功率管在此刻的导通电流趋近于零,因而,损耗减到了最低限度,这有利于变换器的高频化和高效率;

5、由于前级功率变换器为不调宽的纯正方波,以及后级接了磁放大器,这样可以大幅度地降低输出纹波的峰-峰值,普通PWM型电源的输出纹波大约为输出电压标称值的1%左右,而采取带磁放大器的整流电路,纹波的峰-峰值可比较容易地降低到0.1%左右。

上述磁放大型稳压电源的综合电特性都是其它PWM隔离负反馈多路电源所无法比似的。尤其对多路电源实际应用来讲,可以对电源内部特性和电子系统的负载特性不予考虑,拿来就能使用,用上就无问题。

现代磁放大型稳压电源还存在如下一些问题,有待解决。

1、电路形式需进一步完善(尤其是电源前级功率变换电路),应加入过、欠压保护,过流、短路保护,电源使能端。

2、进一步提高工作频率,以便减小体积。

3、进一步提高效率,减小磁损。

磁放大器和其他磁性元件一样,在它的线圈里总是装有磁芯.因为磁芯有较大的磁导率,可以增加线圈中的磁通,但对磁放大器来说目的不是利用磁芯有较大的磁导率,而是利用其磁芯材料非线性这一特点.这种非线性越突出其作用也就越为明显有效,

磁放大器扼流圈的核心是一个由软磁合金制成带有矩形磁滞回线的环形磁芯.在大多数情况下只有一组线圈是用来工作及控制电流的.对于扼流线圈材料的规格要求是非常高的,除了低磁性反转损耗(影响到热聚集控制电流效率)以外以高顽磁(影响到控制范围)为特点的矩形磁滞回线及好的饱和特性也是必须的。

磁放大器的功能可以描述成类似开关晶体管的高速开关,矩形B-H回线与两种工作状态有关,只要扼流线圈一受磁开关就断开,电流就不能输出.一旦磁芯材料达到饱和开关就接通,电流即开始输出.这个结果是基于扼流线圈在进入饱和条件时它的阻抗|Z|要经过3 4 个数量级的快速变化这一特点。

当外加电压为u(t)=Umsinwt 时,磁芯中的磁感应强度将按B=-(Um /wNAe)cosùt 变化,磁放大器中的电流可依据下图由作图法求出:

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当t=0 ,磁芯中的磁感应强度处于负的最大值,磁通变化率为零,电流会从-imax 对应-Hc 跃变到imax 对应Hc ,此后电流值保持不变.

当t=pi/w 磁芯中的磁感应强度处于正的最大值,磁通变化率为零,电流会从imax 对应Hc 跃变到-imax 对应-Hc ,此后电流值保持不变.

磁放大器饱和电抗器的电压与电流是同相位关系,因此从本质上讲它是一个耗能元件而一般电抗器为一无功元件电流滞后90度。