磁开关技术发展现状前景及对磁心的要求 The present situation and the future of development of magnetic switch technology and its requirement on cores 1前言 磁开关早在上个世纪四十年代早期就应用于单脉冲雷达的调制器。通过升压和几级脉冲压缩之后，得到是足够高幅度的脉冲电压，供高频功率工作，由于它体积小，机械强度高，特别是可靠性好，在机载雷达发射机中得到了广泛的应用。五十年代早期美国F105型歼击机的火控系统雷达发射机就应用了全磁调制器的固态结构（下简称105-全磁） 随着时代的发展，对雷达威力和功能要求多样化。真空（或充气）开关器件的发展、半导体固态开关器件快速响应速度，致使磁开关技术的发展趋于停顿。而当时磁开关技术的核心部件-磁心材料只有1J51，1J67等少量矩磁材料可供选用。而它们在高重复频率、窄脉冲状态下存在损耗偏大、脉冲导磁率偏低等不利因素。 事物总是一分为二的，真空（或充气）和固态半导体开关器件也有弱点。现代高能和高压工程中，当脉冲电压达到几百千伏以上，脉冲电流高于几千安时，就很难想象使用它们，庞大的真空（或充气）开关管也不适合设备小型化要求。上个世纪70年代末出现商用非晶态磁性合金以及86年日立公司推出的纳米微晶，它们优异的软磁特性及高矩磁比（通过纵磁场处理或不需要）在磁开关中很快得到了开发和应用。在高能工程技术需要和可能的双重因素作用下，目前磁开关技术逐渐得到了青睐。 2磁开关结构和工作原理 磁开关结构大致分下列四种类型，如图1～4所示： 图1.最简单的一种磁开关，饱和时放电，工作电流和复位电流均通过N1绕组。 图2.有E=直流复位绕组的磁开关。 图3. N2绕组系次级升压兼饱和复位电流通过的绕组。 图4. N2系直流复位绕组。 N3系次级升压兼饱和时放电电流通过的绕组。 从磁开关的磁心的工作磁状态变化情况来分类:图1和图3磁开关、图2和图4磁开关各属于一种类型。前者线路内能提供足够的复位电流，保证磁开关按设计正常工作。后者加E=直流复位绕组，按设计能随时保证磁开关工作。 磁开关的工作原理就是利用磁心的磁化曲线的非线性特点来完成磁开关的工作。大家都很熟悉曲线的非线性，这里不再赘述。 下面通过105-全磁开关调制器的简要工作过程来说明磁开关的一些工作特点，才能明确磁开关对磁心的某些特殊要求。 图5为外军F105机载火控雷达全磁调制器线路。图中L1为400Hz升压变压器次级兼压缩回路的磁开关作用。图6是第一压缩级的等效电路和简化电路。图7是第一压缩级内放电等效电路。 因为L1的励磁电感很大，所以VL1=VC1，磁开 关变压器L1的磁感变化为：。 所以 当ωt=π，。当△B≥2BIn 时，L1由非饱和状态或饱和状态，磁开关变压器L1的电 感量急剧下降，C1经由次级放电，C2充电，等效电路见图7。 图8示出第一级磁开关变压器L1中磁感，C1及C2随时间变化的情况。可以清晰地看出电压波形的压缩过程以及磁开关变压器由充电到放电时B(t)的变化情况。对其动态工作过程的了解，有助于我们了解磁开关磁心应具备什么的特性参数。 3磁开关对磁心的要求 从磁开关工作原理阐述中可见，与一般中大功率脉冲变压器工作状态基本相似。与高频开关变压器也有类同的地方。但由于磁开关工作的特殊性也有明显不同之处。 3.1 △B设计值高 磁开关只有工作在饱和阶段时，饱和电感很小才能很好地放电，得到所需脉冲工作电压。另外高的△B值可以减小磁开关的体积。但是高△B的要求带来高的损耗。 (1) D-带厚cm Q-磁心体积cm3 f-脉冲重复频率 P磁=1.6×108Q△BHC(w) (2) 回路频率 xm-末级压缩比 由（1）和（2）可见磁开关磁心的铁耗应比一般变压器高得多。 另外，还需指出：由于种种因素的影响磁开关的使用的矩磁材料的回线有时呈“哑铃”状，即中间细两头大。必然增大回线面积，又额外增加了一部分损耗。 3.2 变大 现代高能工程为获得更大的脉冲能量，输出脉冲 宽度仅为纳秒级（μs）。其值可以达到10特斯拉以上。高值必然造成涡流损耗激增外，还带来磁心片间电位差增大，有时会造成片间击穿情况。致使磁开关不能正常工作。 通常我们常见的开关变压器和脉冲变压器的值，一般都小于1特斯拉。我们曾遇到过一只μs量级脉冲变压器，其△B≤2T。采用铁基非晶材料。虽然采取了铁心接地措施，但工作不到1个小时铁心就烧成两截。所以在制造磁开关磁心时，片间绝缘应引起足够的重视。 3.3 矫顽力HC的影响 从式（2）中可见，当磁开关工作的重复频率较低时，还构不成损耗的主要成分。但高频率的磁开关则另当别论。对一般高频开关变压器而言，HC是一个不可忽略的磁参数。例如20kHz和100kHz开关变压器每秒内回线分别走2万次和10万次，其磁滞损耗的影响是很大的。 为了降低磁心的涡流损耗而减小片厚，但HC增大，对磁开关磁心而言这是可以容忍的，因为总损耗减小。 在工作中我们发现晶态矩磁材料如1J51，随升高其HC增大。但在铁基非晶态和纳米微晶中，我们从大量的测试数据中发现，随增大，其Hc变得很小，但与中等的值相比，其P0.4/10K损耗值增大1倍以上。HC的反常变化，这可能是晶态材料和非晶态材料微结构不同有关。有待从事非晶态理论工作者进一步研究。 3.4 研究开发新型磁开关磁心材料 目前国内可选用磁开关的材料不多，有的λs太高，造成铁心工作时的噪声太大，有的制造工艺复杂，价格昂贵，很难得到质量一致的磁心。例如目前选用的2605S2材料是国内外用配电变压器的材料，而美国主要是用2605SC，其高频损耗较低。俄罗斯主要用0.01mm厚的1J51材料。希望开发有中国特色的高能磁开关的磁心材料。 4 磁开关技术的应用与开发前景探讨 随着科学技术和国民经济发展的需要，有磁开关构成的电子系统，除上面介绍的机载、导弹等需要体积小重量轻的发射机场合外，逐渐在一些其它行业里得到开发应用。 1）国内曾出版一本“电磁炮”的论著。“电磁炮”能够发射出极强功率的微波脉冲串，可以摧毁各类电子系统，是信息战、电子战很有效的攻击武器。“电磁导弹”是一种超宽带及极短脉冲周期、慢衰减的电磁波。它是T.T1.教授在1925年提出的，提出之后受到国内外学者的重视。 2）氟塑料及其它表面分子结构稳定材料的活化处理。氟塑料耐高温，电气绝缘性能好，高频损耗小有“塑料王”之称。但其表面碳-氟原子结构稳定，本身很难粘合，也不易与金属、非金属等其它材料粘合，过去在低温下用钠-苯-乙二醇二甲醚进行表面活化处理，操作烦杂，稍有不慎还有爆炸危险。用活化膏涂材料活化又不均匀。现在我们用等离子体技术对多层高频氟塑料板，进行活化处理后，大大改善了表面活性，为随后的电镀、粘连、喷化创造了良好的表面条件。但这种设备必须腔体内有一定量的气体。如果采用高压磁开关技术就可以在大气中连续进行氟塑料，或其它表面极难粘连的材料进行表面活性处理。 3）光滑丝绸表面的活性处理，大大增强了丝绸表面对各种染料的附着度。我国素有“丝绸王国”之称，为了保持丝绸艳丽的色彩曾研制出活性染料以及近来出现的纳米染料。的确增强了染料的牢度。近来有些国家应用高压高强度技术，对染色前的丝绸表面进行大气状态下连续表面活化处理，再去染色，染色的牢度大大增强。工作可靠性高，结构简单的高压磁开关电子系统是非常合适的。 4）高压除尘设备，工业中排出的大量灰尘、废气是污染环境的主要来源。我们都熟悉工业中静电除尘的原理。后来又研制出高压脉冲设备，受开关管参数的限制，其脉冲电压和功率均不可能作的很高，应用磁开关技术则可以作出上面kV的高压脉冲除尘设备。 目前这种体制已列入国家重点课题研究项目。 5）高能物理研究领域的应用 加速器是给粒子赋能，提高其飞行速度。据报导美国斯坦福大学早在上个世纪60年代就建立了二公里长的加速器群，现在实验要求赋能很高，一公里长的加速器估计要用磁开关磁心约一千吨。现代高能物理研究为磁开关技术应用建立了广阔的天地。 6）其他领域的应用 铜蒸气激光器（CVL）高压激励电源，加串联磁开关和电感各一只后，闸流管平均寿命由500小时增至1000小时。闸流管的漏闪、尖叫甚至连通现象也没有了。 全桥移相零电压软开关DC-DC变压器是上个世纪90年代初发展起来的一种新型技术。该技术结合了PWM技术控制简单，导通损耗小和谐振变换技术开关损耗小的优点，又利用寄生参数减少了电磁干扰，缺点是环流大，占空比损失较大，轻负载时不能实现零电压开关。当在变压器初级绕组串联了一个小的磁开关，在控制方式不变的情况下解决了上述问题。 5 结束语 磁开关技术是既古老又在当代国民经济各个领域中展现出蓬勃生命力的技术。笔者之所以从原理上不甚其烦的罗列各种正在或可能应用的领域，试图为各电子变压器厂家指出：利用现有工艺技术装备优势就可以向实用整机装备方向发展，从而取得更大的经济和社会效益。 以上仅供参考，欢迎指正。