磁放大器

非晶、納米晶軟磁材料因具有高磁導(dǎo)率，高矩形比和理想的高溫穩(wěn)定性，將其應(yīng)用于磁放大器中，能提供無與倫比的輸出調(diào)節(jié)精確性，并能取得更高的工作效率，因而倍受青睞。非晶、納米晶磁芯除上述特點(diǎn)外還具備以下優(yōu)點(diǎn):

1)飽和磁導(dǎo)率低;

2)矯頑力低;

3)復(fù)原電流小;

4)磁芯損耗少;

磁放大器的原理線路見圖1。圖中鐵心A和B的結(jié)構(gòu)尺寸及材料均相同，每個(gè)鐵心上繞有直流繞組和交流繞組，兩直流繞組和兩交流繞組的匝數(shù)相同。兩直流繞組反接串聯(lián)后接至直流控制電源。兩鐵心中的交流磁通Φ~方向相同，而直流磁通Φ=方向則相反。兩直流繞組反接串聯(lián)的目的是為了抵消兩鐵心中的交流磁通在直流繞組上感應(yīng)的交變電動(dòng)勢。當(dāng)直流繞組中輸入的直流控制電流為零時(shí)，兩鐵心中均無直流勵(lì)磁，兩交流繞組的電感最大,電抗值也最大,此時(shí)交流負(fù)載電流為最小。當(dāng)輸入直流控制電流時(shí)，鐵心中的直流磁通增加，磁通密度相應(yīng)增加，兩交流繞組的電感減小，輸出交流負(fù)載電流增大。

磁放大器能使開關(guān)電源得到精確的控制，從而提高了其穩(wěn)定性。

磁放大器磁芯可以用坡莫合金，鐵氧體或非晶，納米晶(又稱超微晶)材料制作。

【Physics】magnetrol;magnetic amplifier

磁放大器輸出電流與輸入電流的比值，稱為磁放大器的電流放大系數(shù)。輸出負(fù)載功率與輸入控制功率的比值，稱為磁放大器的功率放大系數(shù)。簡單磁放大器的輸出電流與輸入電流的極性 無關(guān)。輸入控制電流為零時(shí),輸出電流并不等于零,而有一空載電流I0。直流控制電流與交流負(fù)載電流的特性見圖2。

當(dāng)輸入直流控制電流大到一定程度 后，輸出交流負(fù)載電流的變化趨于平坦。簡單的磁放大器的放大系數(shù)較小，要進(jìn)一步增大放大系數(shù)，可將輸出的交流電流整流成直流后，作為輸入量的一部分反饋到磁放大器中。即在兩個(gè)鐵心上再各繞一個(gè)反饋繞組，繞向與直流繞組相同。在交流電路中串聯(lián)一橋式整流器，被整流后的電流與兩個(gè)反饋繞組相串聯(lián)。反饋繞組的匝數(shù)越多，輸入輸出特性越陡。反饋繞組的匝數(shù)過多時(shí)，則出現(xiàn)特性的跳躍變化(圖3), 此時(shí)稱為磁放大器的繼電工作特性。

利用磁放大器在繼電狀態(tài)下的工作特性做成的無觸點(diǎn)磁繼電器和磁性邏輯元件，曾在50年代得到一定的運(yùn)用。隨著半導(dǎo)體元件的發(fā)展，磁性邏輯元件已被淘汰。但由于磁放大器具有壽命長、過載能力強(qiáng)、可以在振動(dòng)和沖擊條件下工作和無需經(jīng)常維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，仍用于自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)等自動(dòng)化系統(tǒng)中。

磁放大器和其他磁性元件一樣,在它的線圈里總是裝有磁芯.因?yàn)榇判居休^大的磁導(dǎo)率,可以增加線圈中的磁通,但對磁放大器來說目的不是利用磁芯有較大的磁導(dǎo)率,而是利用其磁芯材料非線性這一特點(diǎn).這種非線性越突出其作用也就越為明顯有效,

磁放大器扼流圈的核心是一個(gè)由軟磁合金制成帶有矩形磁滯回線的環(huán)形磁芯.在大多數(shù)情況下只有一組線圈是用來工作及控制電流的.對于扼流線圈材料的規(guī)格要求是非常高的,除了低磁性反轉(zhuǎn)損耗(影響到熱聚集控制電流效率)以外以高頑磁(影響到控制范圍)為特點(diǎn)的矩形磁滯回線及好的飽和特性也是必須的。

此電路的優(yōu)點(diǎn)如下:

1)電路結(jié)構(gòu)簡單，使用元器件數(shù)量少，除了兩只功率管以外，其它元器件均是永久性或半永久性的，可靠性極高，制作也很方便;

2)電路中沒有隔離反饋放大器，因此調(diào)整極其容易，而且一旦調(diào)整好后就無須維護(hù)，前級變換功率取決于后級總輸出功率;

3)各路的輸出特性相互獨(dú)立，獨(dú)自調(diào)整穩(wěn)壓，無主、輔路之分，所以，各輸出電路的負(fù)載調(diào)整率的交叉負(fù)載調(diào)整率都非常理想，小于0?5%;

4)磁放大器在功率開通瞬間，處于"開路"狀態(tài)，功率管在此刻的導(dǎo)通電流趨近于零，因而，損耗減到了最低限度，這有利于變換器的高頻化和高效率;

5)由于前級功率變換器為不調(diào)寬的純正方波，以及后級接了磁放大器，這樣可以大幅度地降低輸出紋波的峰-峰值，普通PWM型電源的輸出紋波大約為輸出電壓標(biāo)稱值的1%左右，而采取帶磁放大器的整流電路，紋波的峰-峰值可比較容易地降低到0.1%左右。

上述磁放大型穩(wěn)壓電源的綜合電特性都是其它PWM隔離負(fù)反饋多路電源所無法比似的。尤其對多路電源實(shí)際應(yīng)用來講，可以對電源內(nèi)部特性和電子系統(tǒng)的負(fù)載特性不予考慮，拿來就能使用，用上就無問題。

磁放大器的功能可以描述成類似開關(guān)晶體管的高速開關(guān),矩形B-H回線與兩種工作狀態(tài)有關(guān),只要扼流線圈一受磁開關(guān)就斷開,電流就不能輸出.一旦磁芯材料達(dá)到飽和開關(guān)就接通,電流即開始輸出.這個(gè)結(jié)果是基于扼流線圈在進(jìn)入飽和條件時(shí)它的阻抗|Z|要經(jīng)過3 4 個(gè)數(shù)量級的快速變化這一特點(diǎn).

現(xiàn)代磁放大型穩(wěn)壓電源還存在如下一些問題，有待解決。

1)電路形式需進(jìn)一步完善(尤其是電源前級功率變換電路)，應(yīng)加入過、欠壓保護(hù)，過流、短路保護(hù)，電源使能端。

2)進(jìn)一步提高工作頻率，以便減小體積。

3)進(jìn)一步提高效率，減小磁損。

當(dāng)外加電壓為u(t)=Umsinwt 時(shí),磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度將按B=-(Um /wNAe)cosùt 變化,磁放大器中的電流可依據(jù)下圖由作圖法求出:

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當(dāng)t=0 ,磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度處于負(fù)的最大值,磁通變化率為零,電流會從-imax 對應(yīng)-Hc 躍變到imax 對應(yīng)Hc ,此后電流值保持不變.

當(dāng)t=pi/w 磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度處于正的最大值,磁通變化率為零,電流會從imax 對應(yīng)Hc 躍變到-imax 對應(yīng)-Hc ,此后電流值保持不變.

磁放大器飽和電抗器的電壓與電流是同相位關(guān)系,因此從本質(zhì)上講它是一個(gè)耗能元件而一般電抗器為一無功元件電流滯后90度。

磁放大器鐵芯∩形沖片疊成的兩個(gè)矩形，在磁軛的缺口處增加一塊矩形沖片、以提高磁性能。兩個(gè)鐵芯前后排列，線圈為同心式結(jié)構(gòu)，每個(gè)工作繞組分成兩半繞在四個(gè)鐵芯柱上，控制繞組也分成兩組套在工作繞組外面，包圍著兩個(gè)鐵芯柱。整個(gè)鐵芯用螺桿、夾件壓緊，接線座固定在絕緣安裝板上。