《特殊磁性》word版

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1、第九章特殊磁性元件除了电感和变压器以外，在开关电源还用到一些特殊的磁性元件：交流和直流电流互感器、磁调节器和尖峰抑制磁珠等，这些磁性元件功能不同，设计要求也不同。本章简要介绍这些元件的设计方法。9.1电流互感器在开关电源经常需要检测电路中电流：如APFC电路中检测输入电流用来跟踪输入电压；在电流控制型控制中需要检测功率管电流控制脉冲宽度；双极型晶体管比例驱动集电极电流检测以及检测输出电流用来保护、均流和显示等等。在逆变器中，检测输出电流实现双环控制、显示和并联均流等。电流检测可以利用电阻和霍尔元件（LEM）。但电阻或分流器检测，前者损耗大，易受干扰，很难做到高精度，只用于

2、小功率，后者体积大；而用LEM检测，虽然精度高，但成本太高。电流互感器特性介于两者之间，得到广泛应用。既然作为检测元件，互感器设计的出发点就是保证检测精度。一般的电流互感器要能保证检测精度，应当是恒定负载阻抗；零漏磁通；零激磁电流和无限大的磁通密度。对检测互感器来说负载阻抗一般是恒定的，由于采用环形磁芯，次级又均匀分布在磁环的圆周上，可以忽略的漏感是可以做到的。但零激磁电流和无限大磁通密度是绝对做不到的，因为磁导率不是无穷大和磁芯有限的饱和磁通密度。设计在精度、尺寸、和成本之间折中。设计原理与一般变压器相同，步骤和磁芯选择稍有不同。初级一般1匝或很少几匝，次级匝数很多，匝

3、比一般为100或更多。9.1.1交流互感器AlN2I1N1R图9.1交流电流互感器9.1.1.1基本原理交流互感器一般采用环形磁芯，初级线圈N1一匝或数匝,而次级N2匝数较多。为便于测量，次级通常接有检测电阻R,将电流信号变换成电压信号，如图9.1所示。假设初级流过正弦波交流电流I1时，次级感应电压产生一个输出电流I2。根据回路安培定律有(9.1)式中H－磁芯中磁场强度；l－磁芯平均磁路长度。i1和i2为初级和次级瞬时电流。次级反射到初级的电流有效值I2’为(9.2)因此初级电流有效值为(9.3)式中Im－磁化电流。等效电路和电流关系如图9.2所示。理想情况下互感器的激磁

4、电感无穷大，激磁电流,则(9.4)155实际激磁电感不可能无穷大，总是存在激磁电流。为了维持I2，次级感应电势为I1I2’I2’U1ImL1R0ImU1I2θI1(a)(b)图9.2电流互感器等效电路(a)和相量图(b)（9.5）式中Rcu—次级线圈电阻（Ω）；f—电流频率（Hz）；B—磁芯工作峰值磁感应强度（T）；A—磁芯截面积（m2）；R－检测电阻。由相量图可知,次级反射电流与初级电流的相位差(9.6)式中R’=(R+Rcu)—次级反射到初级的阻抗；而初级激磁电感(9.7)式中μa－磁芯的幅值磁导率；考虑到和，式(9.6)可写成(9.8)因此,次级检测电流与初级电流的

5、幅值相对误差(检测幅值精度)(9.9)cosθ展开成级数,在θ很小时,忽略高次项，有因此，式（9.9）改写为（9.9a）从式(9.8),(9.9)可知，要减少幅值和相位误差，在一定的频率下，应当减少检测电阻或增加次级激磁电感L2。在给定次级检测电压u2的情况下，减少检测电阻R，次级电流I2将反比增加，次级匝数减少，将导致L2的平方减少，检测误差加大。因此，为了减少检测误差，增加次级激磁电感是提高检测精度的唯一的方法.9.1.1.2交流电流互感器设计交流互感器设计前应当知道互感器的工作频率f(w)，检测的电流－初级电流I1，次级所需电压U2（有效值）和检测精度g。互感器设计

6、原则是要保证电流检测精度.初始设计时可不考虑线圈电阻Rcu,在次级激磁电抗远远大于检测电阻时,式(9.8)可近似写为考虑到R=U2/I2=u2N2/I1N1以及L2=m0maA/l=AL，可以得到155(9.10)式中AL=m0maA/l—磁芯电感常数。一般初级线圈N1=1,考虑到式(9.9a)，因此(9.10a)根据给定允许的幅值误差γ或允许的相位误差δ选择磁芯尺寸和次级线圈匝数。选取较多的次级匝数对提高测量精度是有益的。但是次级匝数过多，一方面绕线困难，另一方面导线长度增长，线圈电阻增加，又降低了检测精度，一般N2在500匝以下。根据工作频率选择磁芯材料，例如50Hz

7、选用0.35mm环形磁芯，400Hz选用0.1mm高硅薄带环形磁芯；高于10kHz选用非晶态或铁氧体材料等等，选择尽量高的m材料。如果要求检测相位误差极小，低频时应选择m极高的皮莫合金或非晶态磁芯。还应当注意，这里ma为幅值相对磁导率，在手册中没有列出。在低磁感应强度时一般和初始磁导率mi相近，初始设计时，可用mi代替ma。在选定N2后，由式(9.10a)求得AL值。低频时硅钢片或非晶态材料手册中并未给出Al值，可根据手册中环形磁芯结构参数计算：(9.11)式中le—有效磁路长度(m)；Ae—磁芯有效截面积(m2)。已知N2后