基于諧振逆變電路的納米晶材料高頻測(cè)量系統(tǒng)研究

龐艦，李琳，張希蔚，丁杰

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

0 引 言

磁性材料作為傳輸電能的核心部件，廣泛用于制作變壓器、電機(jī)鐵心。掌握鐵心的磁化與損耗性能是變壓器和電機(jī)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，也是提高變壓器整體效率的基礎(chǔ)[1-2]。納米晶材料憑借其具有高初始磁導(dǎo)率，高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，較低的高頻損耗，低矯頑力等特點(diǎn)，成為了一種擁有較高科研價(jià)值和極大商業(yè)前景的新型軟磁材料[3-5]。在高頻激勵(lì)下該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的磁性能，利用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅鋼片制作高頻變壓器鐵心，能夠很好的改善變壓器的高頻性能，同時(shí)還能減小變壓器的體積，使得電力電子設(shè)備向小型輕量化發(fā)展。

磁滯回線是反應(yīng)軟磁材料磁化與損耗性能的重要特征，也是計(jì)算材料磁滯損耗的依據(jù)。目前針對(duì)軟磁材料磁滯回線的測(cè)量方法包括磁片測(cè)量法和磁環(huán)測(cè)量法。磁片測(cè)量法分為單片測(cè)量和疊片測(cè)量。單片測(cè)量主要有單片測(cè)試儀法(SST)，疊片測(cè)量的代表方法是愛伯斯坦方圈法[6-7]。為了觀察材料的矢量磁特性，在SST的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了二維結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)單片測(cè)試儀(RSST)，旨在通過對(duì)材料旋轉(zhuǎn)磁特性的研究，更好地揭示材料磁性能，為挑選適合電機(jī)設(shè)備的鐵心材料提供參考[8-10]。基于二維的測(cè)試平臺(tái)，誕生了空間三個(gè)軸向?qū)ΨQ的三維測(cè)量平臺(tái)[11-12]，反饋控制和諧波補(bǔ)償?shù)裙δ芤蔡砑拥綔y(cè)量平臺(tái)中[13]。納米晶材料單片和磁環(huán)的磁性區(qū)別主要體現(xiàn)在制備過程中對(duì)材料進(jìn)行的熱處理，磁環(huán)材料在冷卻過程中會(huì)引入內(nèi)應(yīng)力。由于材料的磁致伸縮程度和有效磁路長(zhǎng)度成比例變化，材料中的內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料磁性能的下降，所以磁環(huán)樣品不應(yīng)過大且橫截面上磁密分布應(yīng)盡量均勻。磁環(huán)測(cè)量方法包括霍爾法等直接測(cè)量法和RC積分法等間接測(cè)量法[14]。有根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)動(dòng)態(tài)磁滯損耗進(jìn)行建模計(jì)算的啟發(fā)式磁滯回線測(cè)量方法[15]，有利用Matlab對(duì)電網(wǎng)合閘磁滯回線進(jìn)行仿真的測(cè)量方法[16]。磁環(huán)磁滯回線測(cè)量平臺(tái)通常包括函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，功率放大器，電壓測(cè)量探頭和示波器等幾個(gè)部分[17]。測(cè)量用功率放大器受儀器本身帶寬、功率限制，一臺(tái)額定功率200 W的功率放大器，放大的正弦波最高頻率一般不超過20 kHz，方波頻率最大值在1 kHz～2 kHz范圍內(nèi)。帶寬約束是限制磁性材料測(cè)量頻率的主要原因。

基于實(shí)驗(yàn)室條件下使用功放測(cè)量磁環(huán)的條件限制，文中以推挽式諧振逆變電路能夠補(bǔ)償功率損耗的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過對(duì)相應(yīng)的磁性材料測(cè)量平臺(tái)做出改進(jìn)[18-19]，將平臺(tái)用于納米晶材料的高頻測(cè)量。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能通過調(diào)整電路中諧振電感和電容元件來調(diào)整諧振頻率，對(duì)高頻切換的開關(guān)管提供電壓補(bǔ)償，降低開關(guān)管損耗，實(shí)現(xiàn)高頻逆變輸出，使磁滯回線測(cè)量擺脫儀器設(shè)備帶寬限制。具有功率傳輸效率高，逆變波形穩(wěn)定準(zhǔn)確的特點(diǎn)。使用PSCAD進(jìn)行逆變電路仿真，搭建了測(cè)量系統(tǒng)實(shí)測(cè)了10 kHz下25*20*10 mm的納米晶磁環(huán)的磁滯回線。通過小功率情況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了平臺(tái)具有較高測(cè)量精度。平臺(tái)使用可調(diào)電阻調(diào)節(jié)輸出電壓，利于在實(shí)驗(yàn)室條件下觀測(cè)磁滯回線隨磁通密度的變化趨勢(shì)。該測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)電壓逆變的原理突破了使用功率放大器會(huì)受自身帶寬約束的問題，只要搭配功率足夠的電源以及合適的負(fù)載，對(duì)小尺寸的環(huán)狀樣品也能進(jìn)行高頻磁特性測(cè)量。

1 測(cè)量原理

1.1 測(cè)量電路

根據(jù)文獻(xiàn)[19]推挽諧振逆變電路軟磁測(cè)量平臺(tái)的結(jié)構(gòu)搭建了高頻納米晶磁環(huán)測(cè)量平臺(tái)，電路原理圖如圖1所示。文獻(xiàn)[19]中的測(cè)量平臺(tái)在直流電壓輸入端接入一個(gè)DC斬波電路，作用是調(diào)整輸入電壓的幅值。由于目前使用的數(shù)字直流電源都能設(shè)置電壓大小，故在新的測(cè)量平臺(tái)中不再沿用這一設(shè)計(jì)。新平臺(tái)使用皮爾森線圈測(cè)量鐵心的原邊電流，代替舊有平臺(tái)使用采樣電阻計(jì)算原邊電流的方法，這一方法由于采樣電壓和計(jì)算電流的相位差會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差而廣為詬病[20]。

圖1 測(cè)量納米晶磁環(huán)的電路原理圖

圖1電路的輸入端接直流電壓源，輸出端接一個(gè)電阻值范圍在1 kΩ～10 kΩ的可調(diào)電阻用來調(diào)節(jié)輸出電壓。通常情況下電路輸出的是正弦波，可以在輸出端添加施密特觸發(fā)器或遲滯比較器將逆變波形調(diào)整為方波，通過改進(jìn)能模仿復(fù)雜工況下的勵(lì)磁波形并對(duì)磁環(huán)進(jìn)行測(cè)量。

使用可編程DSP2812開發(fā)板提供開關(guān)管柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，能夠準(zhǔn)確地控制逆變波形的頻率。DSP2812開發(fā)板的工作頻率與測(cè)試磁環(huán)需要的正弦波頻率相一致，兩路DSP驅(qū)動(dòng)的幅值相等，相位相反。設(shè)置相對(duì)于導(dǎo)通時(shí)間能夠忽略不計(jì)的短時(shí)序作為死區(qū)時(shí)間，保證不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)。文獻(xiàn)[19]的測(cè)量平臺(tái)電路是將諧振回路中的輸出信號(hào)通過反相器得到兩組互補(bǔ)的方波，用作控制MOS管的信號(hào)。缺點(diǎn)是只能通過改變諧振電路元件的方式對(duì)頻率進(jìn)行粗調(diào)，輸出波形頻率難以控制，這一點(diǎn)在高頻測(cè)量時(shí)尤為明顯，不適合針對(duì)納米晶等材料進(jìn)行測(cè)量。電路部分實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 逆變電路部分的實(shí)驗(yàn)裝置

搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輸出功率為30 W，改變諧振電路中補(bǔ)償電容C1和C2的大小，降低開關(guān)管在切換過程中的損耗能提高平臺(tái)的輸出功率。受開關(guān)管功率損耗影響，平臺(tái)輸出電壓最高幅值不超過500 V[19]。直流源輸入電壓和平臺(tái)輸出的逆變電壓有效值的大小關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中Vin是直流源輸入電壓(V)；Vout是平臺(tái)輸出電壓的有效值(V)。

當(dāng)電路開關(guān)管在切換工作狀態(tài)過程中產(chǎn)生的額外損耗最小時(shí)，輸入電壓和逆變電壓的波形如圖3所示。

圖3 逆變電壓與輸入電壓波形

直流源的輸入電壓、電流有效值與交流輸出電壓、電流的關(guān)系為：

VinIL=VoutIRL

(2)

式中IL是直流源的輸入電流(A)；IRL是平臺(tái)輸出電流的有效值(A)。

推挽電路的兩個(gè)開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)交替導(dǎo)通，各占半個(gè)周期，在任何工作狀況下都只有一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通?；芈分虚_關(guān)管數(shù)量的增加將會(huì)導(dǎo)致能量利用率的明顯下降。此外，兩個(gè)開關(guān)管采用的是共地接線，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)[21]。電路中諧振回路由電容C、電感L1、電感L2和電容C1或者C2中的一個(gè)構(gòu)成。計(jì)算諧振頻率應(yīng)當(dāng)減去每半個(gè)諧振周期中開關(guān)管同時(shí)閉合的死區(qū)時(shí)間，諧振頻率的計(jì)算公式為：

(3)

式中ton為MOS管開通的時(shí)間；T為MOS管工作周期。實(shí)驗(yàn)中的待測(cè)樣品是納米晶磁環(huán)，式(3)的諧振頻率計(jì)算公式可以化簡(jiǎn)為：

(4)

式中Lm為待測(cè)磁環(huán)的電感值。如果待測(cè)磁環(huán)的電感值小于諧振回路中的電感值，那么對(duì)諧振頻率的影響可以忽略不記[19]。若諧振頻率在1 kHz～10 kHz之間，選擇合適的電容C參數(shù)，可以將式(3)中時(shí)間常數(shù)化簡(jiǎn)掉。

由式(3)可以看出，該電路可以通過調(diào)節(jié)諧振回路中電感或電容的數(shù)值來調(diào)節(jié)電路諧振頻率。電路的調(diào)頻方式是通過替換不同參數(shù)的電容C來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)測(cè)量平臺(tái)輸出頻率為10 kHz的正弦波時(shí)，使用的諧振電容C的數(shù)值為1 μF，在不改變其他元件的條件下，使用大小為4 μF的諧振電容C，平臺(tái)可以輸出頻率為5 kHz的正弦波。通過選取不同的電容值能實(shí)現(xiàn)1 kHz～10 kHz的頻率調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中MOS管選用C2M0080120D，諧振電感L1和L2選擇PE-51508，電感L是IHB5EB561K，諧振電容C1和C2選用的是FA22C0G2W683JNU6，電容選用薄膜電容。

在開關(guān)管關(guān)閉的死區(qū)時(shí)間里，對(duì)地電容C1和C2會(huì)完成充電,并會(huì)在進(jìn)入下一個(gè)諧振周期之前放電，在開關(guān)元件切換的瞬間改變開關(guān)管上的電壓波形。電容放電使開關(guān)元件可以在電壓過零的瞬間實(shí)現(xiàn)開通或者關(guān)斷(ZVS)，降低開關(guān)管工作狀態(tài)切換上的損耗。推挽諧振逆變電路的頻率與開關(guān)頻率的關(guān)系為：當(dāng)諧振頻率高于開關(guān)管的開斷頻率時(shí)，逆變器的工作狀態(tài)為零電壓切換；當(dāng)開關(guān)管的開斷頻率高于諧振頻率時(shí)，開關(guān)頻率仍為設(shè)定好的開關(guān)管工作頻率，但是開關(guān)管還沒有到達(dá)零電壓的狀態(tài)就會(huì)切換，不是零電壓切換。圖4為使用PSCAD對(duì)測(cè)試平臺(tái)電路進(jìn)行仿真的原理圖和逆變波形圖。

1.2 磁環(huán)測(cè)量方法

待測(cè)樣品原邊和副邊的繞線分別纏繞在磁環(huán)兩側(cè)，繞線之間不交叉或重疊。磁環(huán)原邊使用皮爾森線圈(電流檢測(cè)探頭)來采集原邊電流，磁環(huán)副邊空載以減少不必要的損耗，并使用高壓差分探頭采集副邊電壓。

圖4 PSCAD仿真圖

根據(jù)安培定律，通過原邊電流計(jì)算得出磁場(chǎng)：

N1I1=Hl

(5)

式中N1為原邊繞組匝數(shù)；I1為原邊電流(A)；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m)；l為待測(cè)樣品的磁路長(zhǎng)度(m)。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可以通過電壓積分求得副邊磁通密度：

(6)

式中N2為副邊繞組匝數(shù)；S為待測(cè)磁環(huán)截面積(m2)；u(t)為副邊的感應(yīng)電壓(V)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)型號(hào)為1K107B的納米晶磁環(huán)進(jìn)行磁滯回線和損耗的測(cè)量，磁環(huán)的尺寸為：25*20*10(mm)。激勵(lì)信號(hào)為10 kHz的正弦波。將測(cè)量所得的電壓和電流波形曲線顯示在Tek示波器上，如圖5所示。繪制出如圖6的磁滯回線，計(jì)算得到的損耗如表1所示。

將10 kHz正弦波勵(lì)磁條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖7中函數(shù)信號(hào)發(fā)生器搭配NF4502型功率放大器的測(cè)量平臺(tái)在同樣條件下得出的波形結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖8。

其中功率放大器測(cè)得磁環(huán)的損耗為9.626 8 W/kg，推挽諧振逆變電路的測(cè)量結(jié)果誤差為3.3%，可見搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有較高的測(cè)量精度。

圖5 最大磁通密度為0.7 T下待測(cè)樣品的波形

圖6 最大磁通密度為0.2 T，0.7 T和1.2 T的納米晶磁環(huán)磁滯回線

表1 不同磁通密度下25*20*10(mm)納米晶磁環(huán)在10 kHz正弦波勵(lì)磁下的損耗

圖7 功率放大器測(cè)量平臺(tái)

圖8 最大磁通密度為0.7 T的磁滯回線

3 用可調(diào)電阻調(diào)整輸出電壓

推挽諧振振蕩電路的相關(guān)研究表明，當(dāng)電路負(fù)載不連接磁環(huán)而是純電阻負(fù)載時(shí)，在高頻諧振條件下，通過調(diào)節(jié)負(fù)載的電阻值能夠有效調(diào)節(jié)電路的輸出電壓，逆變電路的輸出電壓值與電路中電容值C1以及負(fù)載電阻RL值呈正相關(guān)，只要調(diào)整電路的電容和電阻的參數(shù)，就可以升高或者降低逆變電路的輸出電壓。

磁環(huán)測(cè)量平臺(tái)的負(fù)載通常是以待測(cè)磁環(huán)電感為主的感性負(fù)載。文中搭建的測(cè)量平臺(tái)在保證待測(cè)磁環(huán)準(zhǔn)確測(cè)量的前提下，使用可調(diào)電阻調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓，即針對(duì)電感負(fù)載的調(diào)壓。使用皮爾森線圈進(jìn)行電流采樣，不引入額外的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)證明，可調(diào)電阻的大小與磁環(huán)感應(yīng)電壓波形的幅值呈負(fù)相關(guān)性，圖9為勵(lì)磁電壓為10 V時(shí)感應(yīng)電壓隨可調(diào)電阻的變化關(guān)系。從示波器繪制的李薩如圖形上可以清晰地觀察到可調(diào)電阻變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圖10為隨著可調(diào)電阻從200 Ω～0變化，磁滯回線的圖形變化。

圖9 感應(yīng)電壓幅值隨可調(diào)電阻的變化關(guān)系

圖10 可調(diào)電阻阻值從200 Ω逐漸減小到0的磁滯回線變化圖

電阻阻值在0～5 Ω之間，示波器得出的李薩如圖形出現(xiàn)明顯的畸變，不利于示波器采樣。當(dāng)可調(diào)電阻無限接近于0時(shí)，波形將受到明顯的50 Hz工頻信號(hào)的干擾，這是由于整個(gè)電路都是由無功元件構(gòu)成所導(dǎo)致的。如果可調(diào)電阻的阻值過大，根據(jù)式(7)，施加的勵(lì)磁電壓功率很大一部分消耗在了可調(diào)電阻上，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量平臺(tái)工作效率降低。

(7)

式中RL為可調(diào)電阻阻值(Ω)；PL是測(cè)量過程中可調(diào)電阻產(chǎn)生的損耗(W)。以25*20*10(mm)的納米晶磁環(huán)為例，保證磁滯回線圖像不失真的可調(diào)電阻臨界值與勵(lì)磁電壓的關(guān)系見圖11。

圖11 電阻臨界值與勵(lì)磁電壓大小關(guān)系

圖11得出的線性關(guān)系符合式(5)對(duì)于勵(lì)磁電流的計(jì)算結(jié)果。一般的磁環(huán)測(cè)量平臺(tái)在測(cè)量過程中需預(yù)先設(shè)定好輸入電壓，如果要調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓大小，涉及到信號(hào)發(fā)生器和功放設(shè)備也要進(jìn)行調(diào)整。通過調(diào)節(jié)電阻值來調(diào)節(jié)輸出電壓的方式簡(jiǎn)化了測(cè)量過程且足夠安全。平臺(tái)具備靈活調(diào)節(jié)輸出電壓的特點(diǎn)，對(duì)觀察磁滯回線的變化趨勢(shì)有一定幫助。

4 結(jié)束語

(1)針對(duì)傳統(tǒng)磁性材料測(cè)量平臺(tái)受儀器帶寬和容量限制的情況，提出一種DSP驅(qū)動(dòng)的諧振推挽逆變電路測(cè)量系統(tǒng)，用來測(cè)量納米晶磁環(huán)的磁滯回線和損耗。經(jīng)過仿真電路的驗(yàn)證搭建了功率為30 W的實(shí)物測(cè)量平臺(tái)，與傳統(tǒng)方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比證明了平臺(tái)具有較高精確度；

(2)文中所研制的測(cè)試系統(tǒng)只需要調(diào)整諧振元件參數(shù)和開關(guān)管工作頻率就能調(diào)節(jié)逆變波形的頻率，改變可調(diào)電阻就能調(diào)整輸出電壓的大小，精確觀測(cè)磁滯回線隨勵(lì)磁電壓變化的趨勢(shì)。提出的上述方法可為后續(xù)磁滯回線模擬測(cè)量等工作提供參考，且避免了之前的測(cè)量方法的諸多不足；

(3)基于測(cè)量電路自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，測(cè)量過程中不再受到儀器測(cè)量帶寬的限制，在同樣功率條件下能對(duì)小尺寸樣品進(jìn)行高頻測(cè)量，圍繞這一平臺(tái)提升測(cè)量能力后具有很大工程使用前景。搭配施密特觸發(fā)器或遲滯比較器進(jìn)行工作，電路能輸出方波信號(hào)，對(duì)于更加復(fù)雜工況下的磁滯回線測(cè)量能通過進(jìn)一步改進(jìn)電路來實(shí)現(xiàn)。