采用并联次级线圈桥式耦合磁路的参量变压器

一、引 言
利用参量振荡现象的参量变压器具有线间电压调整、过载保护功能、双向电气噪声除去功能，还可以得到正弦波形的输出电压。因此，可期望用于尤其要求高可靠性的设备的电源装置。
笔者曾提出过一种采用桥式耦合磁路的二铁芯型参量变压器，该磁路由环形磁芯和U形磁芯构成。通过绕在U形磁芯上的控制线圈的直流电流，可控制振荡输出电压的振幅值。因此，作为具有可变输出电压功能的参量变压器，可用于电源装置。但是，这个参量变压器有一个问题: 控制时的振荡电压波形的一部分会出现变形。这是因为由于将初级线圈和次级线圈分别绕在用U形磁芯分开的环形磁芯的磁路上，因此，当一方的磁路饱和时，另一方未饱和磁路的磁通有一段时间会流入U形磁芯。次级线圈的电感值，在初级线圈磁路和次级线圈磁路饱和的情况下是不一样的。本文中，为了解决这个问题，将次级线圈并联相接，可切断交流磁通从环形磁芯的未饱和磁路流入U形磁芯，构成桥式耦合磁路；对利用这种磁路构成的参量变压器的工作原理和基本特点做了实验研究。本文报道研究结果。
二、并联次级线圈桥式耦合磁路的磁芯工作原理
图1(a)表示并联次级线圈桥式耦合磁路的磁芯构成。图中，A是具有矩形磁滞特性的环形磁芯，B是U形磁芯。图1（b)表示线圈构成:绕在环形磁芯的磁路#1和磁路#2上的线圈、分别是初级线圈和次级线圈。如图所示，次级线圈是并联相接的。是控制线圈，其中通以直流电流。和是输入输出电压。在这个电路中，U形磁芯中由产生的直流磁通分流流入环形磁芯的磁路#1和#2，在正和负的方向给#1和#2的磁通加偏磁。因此，#1和#2在输入电压的正负半周期交互饱和。

图1 并联次级线圈桥式耦合磁路示意图:(a)磁芯构成，(b)基本电路
图2表示输入电压的一个周期中的磁芯工作情况的示意图。图中（a）、（b）表示的正半周期，（c）、（d）表示负半周期。如（a）所示，在的正半周期环形磁芯未饱和的情况下，在#1和#2中产生图中箭头方向的磁通Φ。另一方面，U形磁芯中由产生的直流磁通Φc分流流入#1和#2，给#1的磁通加正向偏磁。因此，如（b）所示，#1在正半周期的某个时刻达到饱和。#1一饱和，未饱和的#2就和U形磁芯构成闭磁路。但是，饱和的#1的输出线圈就起短路线圈的作用，切断交流磁通从#1流入U形磁芯。接着，在的负半周期，同样地，#2饱和，#2的输出线圈成为短路线圈。这样，磁路#1和#2无论哪个饱和，饱和磁路的输出线圈就起短路线圈的作用，防止交流磁通从未饱和磁路流入U形磁芯。

图2 输入电压一个周期的等效磁路
图3表示改变直流电流值时环形磁芯的磁性测量结果的一例。这里，环形磁芯采用非晶，U形磁芯采用MnZn铁氧体。测量电路示于图3（b）。励磁频率设为20KHz。n为磁通检测线圈。由图3（a）可知，如果增大值，环形磁芯表现饱和磁通值减小，同时保持良好的矩形磁滞特性，饱和磁通值控制特性良好。图4（a）表示次级线圈开路时的磁性测量例，以作比较。测量电路示于图4（b）。由图4（a）可知，环形磁芯的表现饱和磁通值随的增大而减小，但由于受U形磁芯的影响，饱和区的磁通变化大。由这一结果也可以知道，将次级线圈并联相接有利于防止交流磁通从环形磁芯流入U形磁芯。

图3 不同的I值下的环形磁芯Φ-Ni的曲线: (a)Φ-Ni曲线，(b)测量电路

图4 除去次级线圈时的环形磁芯的Φ-Ni曲线:(a)Φ-Ni曲线，(b)测量电路
三、采用并联次级线圈桥式耦合磁路的参量变压器的构成及工作原理
图5表示采用并联次级线圈桥式耦合磁路构成的参量变压器的磁芯构成（a）和基本电路（b）。磁芯由具有矩形磁滞特性的环形磁芯、以及控制磁芯、构成。为了便于观察，基本电路示出了沿图5（a）中虚线x-y切开的状态。图中，和分别为初级和次级线圈;C是调谐电容器;和分别为电源电压和输出电压。在这电路中，如果增大的值，环形磁芯的表现饱和磁通值就减小，因此，参量振荡输出电压的振幅值减小。另外，由于环形磁芯、和控制磁芯、构成闭磁路，因此，和的饱和磁通值控制量是相同的。

图5 采用并联次级线圈桥式耦合磁路的新型参量变压器的磁芯构成(a)和基本电路(b)
为了查明直流电流和输出电压的关系，下面根据简单的假设分析变压器的工作。环形磁芯的磁性用（α:系数，Ni:磁动势）表示;控制磁芯的磁性用Ni=Φ/Pc（P:磁导）表示。分析用的电路示于图6。各部分的电压、电流、磁通以图示箭头方向为正方向。

图6 分析用的电路
根据以上假设，在图6中得到下列基本式:
在这些基本式中，由于是并联相接，因此由（3）、（4）式可知，控制磁芯中的磁通是直流磁通。其次，将（4）式变形可改写为下式：
（11）
由（1）式可知，（11）式的左式中是由电源电压励磁的磁通的一半。而由（2）和是直流磁通可知，(11)式的右式中的表示产生输出电压的交流磁通。因此，如果在基本式中做=y和=x的变换，并整理，可得到下式:
(12)
(13)
利用着眼于基波成分的谐波平衡法，由（12）、（13）式求得。即假设= sinωt，= sin(ωt+θ)代入（12）、（13）式，求满足的和θ，可得到：
（14）
θ =±π/2 （15）
由（14）式可知，输出电压的振幅值是的函数，如果增大值，的幅值减小的倾向。
四、输出电压控制特性
图7表示不同的值下观测到的电源电压和输出电压的波形。变压器的环形磁芯采用非晶; 控制磁芯采用MnZn铁氧体;=75，=75，=400，
C=0.09μF。图8表示采用以前的桥式耦合磁路的参量变压器的电路构成和观测到的输入输出电压波形，以作比较。由图7和图8可知，在用本方式做的参量变压器中，控制时的输出电压波形得到了改善。

图7 本参量变压器中观测到的电压波形

图8 以前的参量变压器电路(a)和电压波形(b)
图9表示不同的值下无负载输入输出电压特性的测量结果。图中，向上向下的虚线箭头分别表示振荡的开始点和停止点。

图9 不同的值下输出电压与输入电压的关系
另一方面，关于和的关系，由上述分析结果，将（14）式变形可得到下式:
（16）
由（16）式可知，和的关系是圆的方程式;如果增大直流电流的值，圆的半径就变小。
图10表示在一定的电源电压下，输出电压与值的关系的测量结果。由图可知，输出电压的控制特性不是线性的，但在宽的范围内可控制的振幅值。

图10 测得的输出电压控制特性曲线
图11是本变压器的负载特性的测量结果。图中是接在调谐电容器两端的负载电阻中的输出电流的有效值。由图可知，即使有负载的，如果增大值必能控制输出电压。

图11 本参量变压器的负载特性曲线
五、结 语
以上报道了并联次级线圈桥式耦合磁路的磁芯工作情况以及由此构成的参量变压器的工作原理和基本特性。
研究结果表明，并联次级线圈桥式耦合磁路，由于输出线圈并联相接，可切断交流磁通从环形磁芯注入U形磁芯，因此环形磁芯的饱和磁通控制特性得到改善;在利用这这种桥式耦合磁路的参量变压器中，其输出电压可保持大致为正弦状态，其幅值可控。在本参量变压器中，由于控制时也保持磁芯的矩形磁滞特性，而且是二铁芯构成型式，因此，在并联相接的次级线圈中循环的短路电流小，由此引起的损耗也小。
本变压器可用作控制电路构成特别简单的可变电压源。
译自:日本应用磁学会志，2000，24（4-2）:791~794