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铁氧体高频电子变压器设计(四)

2007-11-07 17:16:49 来源:国际电子变压器 点击:3972

7.  使用罐形磁芯的高频电感器设计
7.1  罐形磁芯高频电感器的优点
本节所说的罐形磁芯主要包括G型(国外称P型)和RM型两种磁芯(参见图36和图37),这两种磁芯均为IEC标准所推荐的。
采用罐形磁芯的高频电感器具有以下优点:
① Q值高 
这两种磁芯所使用的铁氧体材料为低损耗高稳定性材料,加上磁芯截面积大,具有很高的品质因数(Q值);
② 有自屏蔽作用 
罐形磁芯电感器的线圈被磁芯所包围,类似于壳式铁心变压器,故具有自屏蔽作用;
③ 漏磁小
由于与上述同样的原因,这类电感器的漏磁(漏感)小;
④ 分布电容小
由于磁芯截面积大,线圈匝数少,故线圈的分布电容小;
⑤ 电感易于调节
这种磁芯配有调节磁芯,可方便的进行电感调节,制成可调电感或变压器,用于调谐电路中;
⑥ 温度稳定性好
由于罐形磁芯采用了低温度系数材料,加上开气隙后,其电感温度系数很低,在一定的温度范围内,电感的变化很小。
7.2  高频电感器的应用范围及要求
高频电感器主要用于通讯滤波器中的电感元件、振荡或调谐回路的电感元件等。要求电感器有规定的电感量、高的品质因数Q和良好的温度稳定性。
7.3  高频电感器对罐形磁芯材料的要求
用于高频电感器的G型和RM型磁芯使用Mn-Zn和Ni-Zn铁氧体材料,工作频率在200kHz以下用Mn-Zn铁氧体材料,工作频率在2MHz以下用Ni-Zn铁氧体材料。
高频电感器对罐形磁芯铁氧体材料的要求是:
① 低损耗,比损耗因数要小;
② 磁导率的温度系数小,即在某一温度范围内的温度系数小;
③ 对时间的稳定性好。
表19为荷兰Philips公司生产的用于高频电感器的罐形磁芯铁氧体材料的性能。

注:μi表示铁氧体材料的初始磁导率,测试条件为25℃,≤10kHz,0.1mT。BS表示铁氧体材料的饱和磁感应强度,测试条件为10kHz,250A/m。tgδ/μi表示铁氧体材料的比损耗角正切,测试条件为25℃,100kHz,0.1mT。αF表示铁氧体材料的比温度系数,其的测试条件为≤10kHz,0.1mT ,温度范围自25℃至70℃。f为最高工作频率范围。TC表示铁氧体材料的居里温度。d表示铁氧体材料的密度。
上述材料的初始磁导率μi与温度的关系曲线见图38和图39。为比较起见,图40为功率铁氧体材料的初始磁导率μi与温度的关系曲线。
7.4  高频电感器的电感计算
高频电感器的电感计算按电感系数AL进行,电感系数定义为匝数为1时磁芯的电感量,用公式表示为

式中
AL——电感系数(nH);
μe——磁芯有效磁导率;
Ae——磁芯有效截面(mm2);
le——磁芯有效磁路长度(mm);
C1——磁芯系数(mm-1)。
各种磁芯都有一个电感系数AL的系列,开有不同长度的气隙,并对应不同的有效磁导率。在磁路中开气隙的目的是为了提高电感线圈的稳定性和品质因数Q。气隙大小不同,AL值也不同。气隙愈大,稳定性和Q值越高,AL值越小。可根据不同需要选择不同的AL值。表20为国产G型罐形磁芯的AL值。表21为Philips公司的P型罐形磁芯的AL值,表22为该公司的RM型磁芯的AL值。表中无气隙时的AL值供变压器或对稳定性和Q值无严格要求时的电感线圈使用。
当给定电感L时,可按下式计算线圈匝数N

式中L的单位为H,AL的单位为nH。
图41和图42给出了AL—L—N的关系曲线,可根据L和AL值查得匝数N。
例:使用R2KB材料的罐形铁氧体磁芯G18B,从稳定性出发选用AL=250nH,要求电感L=10mH,求需绕多少匝?
解:


7.5 高频电感器的Q值
一个电抗元件的品质因数(简称Q值)定义为
Q=P无功/P有功
当一个电抗元件的电抗值决定后,电抗元件的储存能量即无功功率就决定了,那末其品质因数Q就取决于损耗能量即损耗功率的大小。为此,如果用损耗因数tgδ来表示,则
tgδ=P有功/P无功=1/Q
即损耗因数与品质因数为互为倒数关系。
一个电感线圈,根据其等效电路的形式,其Q值有两种计算方法:
串联等效电路(图43a)的Q值为

式中
L——线圈的电感量(mH);
f——工作频率(kHz);
r——折算到串联等效电路的损耗电阻(Ω)。
并联等效电路(图43b)的Q值为


式中
L——线圈的电感量(mH);
f——工作频率(kHz);
R——折算到并联等效电路的损耗电阻(Ω)。

带磁芯的电感线圈一般采用图44所示的等效电路。图中r的定义为线圈(不包括磁芯)的交流有效电阻,包括线本身的损耗部分,即直流电阻、涡流损耗、邻近效应损耗及其它损耗等;RC定义为磁芯的损耗电阻(磁滞、涡流和剩余损耗)。当忽略磁芯损耗时,图44的等效电路就变为图43a所示的电路;当忽略线圈损耗时,图44的等效电路就变为图43b所示的电路。
按图44电路计算Q值为

式中
QL——线圈的品质因数;
QC——磁芯的品质因数。


当一个电感线圈的参数确定后,其Q值与频率的关系见图45。由图可见,当QL=QC时,电感线圈将得到最大的Q值。
对使用某一型号磁芯的电感线圈来说,由于磁芯特性一定,其损耗的频率特性(或称QC—f特性)就一定,而线圈损耗的频率特性(或称QL—f特性)随导线直径、圈数(电感量)而变。图46为同一磁芯,在不同电感时的Q值与频率f的变化关系。
7.6  电感线圈的温度稳定性
电感线圈的另一个重要指标是温度稳定性,特别是用于振荡回路及滤波器电路中的电感线圈。温度稳定性主要指在某一工作温度范围内电感量的相对变化,一般用电感温度系数αL来表示。它表示了温度变化1℃时电感量的相对变化。

式中
LT1——在温度为T1时的电感量;
LT2——在温度为T2时的电感量;
T1——工作温度下限;
T2——工作温度上限。
影响电感线圈温度稳定性的主要因素有:
①磁芯的温度系数。一般用磁导率比温度系数αF来表示:

式中
(μi)T1——在温度为T1时的初始磁导率;
(μi)T2——在温度为T2时的初始磁导率。
②电感线圈骨架材料的热膨胀系数。
③潮气的影响,潮气的吸入增大了电感线圈的分布电容,影响线圈的Q值和有效电感。
提高电感线圈的温度稳定性的方法有:
①选用磁导率比温度系数低的材料,如国产的R2KB,国外如Philips公司的3H3和3D3材料等,这是提高温度稳定性的最主要的方法。
②在磁芯中插入空气隙,降低有效磁导率,以降低磁芯磁导率的温度系数。引入气隙后,磁导率的比温度系数为

式中
αFQ——开气隙后的磁导率比温度系数;
μe——开气隙后的有效磁导率;
μi——无气隙时的磁导率。
由此可见,在罐形磁芯电感线圈中,采用有气隙的磁芯,除了提高线圈的Q值外,提高其温度稳定性也是一个重要的原因。
③选用耐热性好、热膨胀系数小的骨架材料。
④增强防潮能力,采用防潮性能好的绝缘漆或把电感线圈密封起来,以防止潮气的侵入。
⑤进行老化处理。电感线圈在完工后,进行老化处理。其方法是在工作温度范围内循环老化,以提高在温度变化时的稳定性。
7.7  高频电感线圈的计算
7.7.1 计算所必需的技术参数
设计一个高频电感线圈所需参数如下:
① 工作频率f;
② 工作电压和电流;
③ 电感量L;
④ 品质因数Q;
⑤ 温度稳定性要求。
7.7.2 计算步骤
为计算方便起见,特作如下设定:
a) 设QC=QL,为此,QL=2Q;
b) 导线直径d的选择应满足(d/2)≤(Δ/3)的要求,以减小由于集肤效应和邻近效应对线圈交流有效电阻的影响。式中Δ表示导线在高频下的集肤深度。
计算步骤如下:
⑴ 按下式计算允许的最大交流有效电阻re:

式中
re——线圈交流有效电阻(Ω);
f——工作频率(kHz);
L——电感量(mH);
Q——电感线圈要求的品质因数。
⑵ 按下式计算允许的直流电阻r0
r0 = re/Ke
式中,Ke为考虑集肤效应和邻近效应后的附加系数。在满足(d/2)≤(Δ/3)的条件下,该值可取为1.3~1.5。当工作频率低于20kHz时,该值取1。
⑶按下式计算电感线圈的结构常数AT

式中:Ae——磁芯有效截面积(cm2);
SW——磁芯窗口面积(cm2);
le——磁芯有效磁路长度(cm);
lm——磁芯线圈的平均匝长(cm);
μe——磁芯开气隙后的有效磁导率,在初算时,Mn-Zn铁氧体取=100~200,Ni-Zn铁氧体取=40~70;
Km——铜导线在磁芯窗口中的利用系数,一般取值为0.2~0.4。
⑷ 按KZ值初选磁芯。对照表12和表13所列磁芯规格选择KZ值接近的磁芯。
⑸ 按所选磁芯,确定电感系数AL。温度稳定性要求高的取小的AL值。
⑹ 根据所选的AL值和要求的电感L,按下式计算线圈匝数N

式中:L——电感量(mH);
AL——电感系数(nH)。
⑺ 按下式计算导线直径d

式中,d——导线直径(mm)。
⑻ 线圈结构计算,包括要否分段、绝缘、能否绕得下、直流电阻计算等(略)。
⑼ 校核电感量和Q值。
7.7.3 设计举例
试计算一高频电感线圈,要求如下:
工作频率f=30kHz、电感量L=28mH、Q不小于200,小信号。
计算如下:
⑴ 计算交流有效电阻

⑵ 计算直流电阻
r0 = re/Ke = 13.2/1.3 = 10 (Ω)
⑶ 取μe =150、Km=0.2

⑷ 对照表12,查得相接近的磁芯规格为G18×11,其KZ=0.012(cm2)。
⑸ 兼顾L、Q值和稳定性,取AL=315nH,故匝数N为

⑹ 查表12,得G18×11磁芯的lm=3.691cm,故导线直径d为

⑺ 以下为结构计算和核算,在此略。

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