基于谐振逆变电路的纳米晶材料高频测量系统研究

2022-12-17庞舰李琳张希蔚丁杰

电测与仪表 2022年12期

庞舰，李琳，张希蔚，丁杰

(华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)

0 引言

磁性材料作为传输电能的核心部件，广泛用于制作变压器、电机铁心。掌握铁心的磁化与损耗性能是变压器和电机设计的重要环节，也是提高变压器整体效率的基础[1-2]。纳米晶材料凭借其具有高初始磁导率，高饱和磁感应强度，较低的高频损耗，低矫顽力等特点，成为了一种拥有较高科研价值和极大商业前景的新型软磁材料[3-5]。在高频激励下该材料表现出优异的磁性能，利用其代替传统的硅钢片制作高频变压器铁心，能够很好的改善变压器的高频性能，同时还能减小变压器的体积，使得电力电子设备向小型轻量化发展。

磁滞回线是反应软磁材料磁化与损耗性能的重要特征，也是计算材料磁滞损耗的依据。目前针对软磁材料磁滞回线的测量方法包括磁片测量法和磁环测量法。磁片测量法分为单片测量和叠片测量。单片测量主要有单片测试仪法(SST)，叠片测量的代表方法是爱伯斯坦方圈法[6-7]。为了观察材料的矢量磁特性，在SST的基础上产生了二维结构的旋转单片测试仪(RSST)，旨在通过对材料旋转磁特性的研究，更好地揭示材料磁性能，为挑选适合电机设备的铁心材料提供参考[8-10]。基于二维的测试平台，诞生了空间三个轴向对称的三维测量平台[11-12]，反馈控制和谐波补偿等功能也添加到测量平台中[13]。纳米晶材料单片和磁环的磁性区别主要体现在制备过程中对材料进行的热处理，磁环材料在冷却过程中会引入内应力。由于材料的磁致伸缩程度和有效磁路长度成比例变化，材料中的内应力会导致材料磁性能的下降，所以磁环样品不应过大且横截面上磁密分布应尽量均匀。磁环测量方法包括霍尔法等直接测量法和RC积分法等间接测量法[14]。有根据神经网络对动态磁滞损耗进行建模计算的启发式磁滞回线测量方法[15]，有利用Matlab对电网合闸磁滞回线进行仿真的测量方法[16]。磁环磁滞回线测量平台通常包括函数信号发生器，功率放大器，电压测量探头和示波器等几个部分[17]。测量用功率放大器受仪器本身带宽、功率限制，一台额定功率200 W的功率放大器，放大的正弦波最高频率一般不超过20 kHz，方波频率最大值在1 kHz～2 kHz范围内。带宽约束是限制磁性材料测量频率的主要原因。

基于实验室条件下使用功放测量磁环的条件限制，文中以推挽式谐振逆变电路能够补偿功率损耗的特点为基础，通过对相应的磁性材料测量平台做出改进[18-19]，将平台用于纳米晶材料的高频测量。实验平台能通过调整电路中谐振电感和电容元件来调整谐振频率，对高频切换的开关管提供电压补偿，降低开关管损耗，实现高频逆变输出，使磁滞回线测量摆脱仪器设备带宽限制。具有功率传输效率高，逆变波形稳定准确的特点。使用PSCAD进行逆变电路仿真，搭建了测量系统实测了10 kHz下25*20*10 mm的纳米晶磁环的磁滞回线。通过小功率情况下的对比实验证明了平台具有较高测量精度。平台使用可调电阻调节输出电压，利于在实验室条件下观测磁滞回线随磁通密度的变化趋势。该测量方法实现电压逆变的原理突破了使用功率放大器会受自身带宽约束的问题，只要搭配功率足够的电源以及合适的负载，对小尺寸的环状样品也能进行高频磁特性测量。

1 测量原理

1.1 测量电路

根据文献[19]推挽谐振逆变电路软磁测量平台的结构搭建了高频纳米晶磁环测量平台，电路原理图如图1所示。文献[19]中的测量平台在直流电压输入端接入一个DC斩波电路，作用是调整输入电压的幅值。由于目前使用的数字直流电源都能设置电压大小，故在新的测量平台中不再沿用这一设计。新平台使用皮尔森线圈测量铁心的原边电流，代替旧有平台使用采样电阻计算原边电流的方法，这一方法由于采样电压和计算电流的相位差会导致测量误差而广为诟病[20]。

图1 测量纳米晶磁环的电路原理图

图1电路的输入端接直流电压源，输出端接一个电阻值范围在1 kΩ～10 kΩ的可调电阻用来调节输出电压。通常情况下电路输出的是正弦波，可以在输出端添加施密特触发器或迟滞比较器将逆变波形调整为方波，通过改进能模仿复杂工况下的励磁波形并对磁环进行测量。

使用可编程DSP2812开发板提供开关管栅极的驱动信号，能够准确地控制逆变波形的频率。DSP2812开发板的工作频率与测试磁环需要的正弦波频率相一致，两路DSP驱动的幅值相等，相位相反。设置相对于导通时间能够忽略不计的短时序作为死区时间，保证不会出现两个MOS管同时导通的状态。文献[19]的测量平台电路是将谐振回路中的输出信号通过反相器得到两组互补的方波，用作控制MOS管的信号。缺点是只能通过改变谐振电路元件的方式对频率进行粗调，输出波形频率难以控制，这一点在高频测量时尤为明显，不适合针对纳米晶等材料进行测量。电路部分实验装置如图2所示。

图2 逆变电路部分的实验装置

搭建的实验平台输出功率为30 W，改变谐振电路中补偿电容C1和C2的大小，降低开关管在切换过程中的损耗能提高平台的输出功率。受开关管功率损耗影响，平台输出电压最高幅值不超过500 V[19]。直流源输入电压和平台输出的逆变电压有效值的大小关系如式(1)所示：

(1)

式中Vin是直流源输入电压(V)；Vout是平台输出电压的有效值(V)。

当电路开关管在切换工作状态过程中产生的额外损耗最小时，输入电压和逆变电压的波形如图3所示。

图3 逆变电压与输入电压波形

直流源的输入电压、电流有效值与交流输出电压、电流的关系为：

VinIL=VoutIRL

(2)

式中IL是直流源的输入电流(A)；IRL是平台输出电流的有效值(A)。

推挽电路的两个开关管在一个周期内交替导通，各占半个周期，在任何工作状况下都只有一个开关管导通。回路中开关管数量的增加将会导致能量利用率的明显下降。此外，两个开关管采用的是共地接线，简化了电路的设计[21]。电路中谐振回路由电容C、电感L1、电感L2和电容C1或者C2中的一个构成。计算谐振频率应当减去每半个谐振周期中开关管同时闭合的死区时间，谐振频率的计算公式为：

(3)

式中ton为MOS管开通的时间；T为MOS管工作周期。实验中的待测样品是纳米晶磁环，式(3)的谐振频率计算公式可以化简为：

(4)

式中Lm为待测磁环的电感值。如果待测磁环的电感值小于谐振回路中的电感值，那么对谐振频率的影响可以忽略不记[19]。若谐振频率在1 kHz～10 kHz之间，选择合适的电容C参数，可以将式(3)中时间常数化简掉。

由式(3)可以看出，该电路可以通过调节谐振回路中电感或电容的数值来调节电路谐振频率。电路的调频方式是通过替换不同参数的电容C来实现的，当测量平台输出频率为10 kHz的正弦波时，使用的谐振电容C的数值为1 μF，在不改变其他元件的条件下，使用大小为4 μF的谐振电容C，平台可以输出频率为5 kHz的正弦波。通过选取不同的电容值能实现1 kHz～10 kHz的频率调节。实验中MOS管选用C2M0080120D，谐振电感L1和L2选择PE-51508，电感L是IHB5EB561K，谐振电容C1和C2选用的是FA22C0G2W683JNU6，电容选用薄膜电容。

在开关管关闭的死区时间里，对地电容C1和C2会完成充电,并会在进入下一个谐振周期之前放电，在开关元件切换的瞬间改变开关管上的电压波形。电容放电使开关元件可以在电压过零的瞬间实现开通或者关断(ZVS)，降低开关管工作状态切换上的损耗。推挽谐振逆变电路的频率与开关频率的关系为：当谐振频率高于开关管的开断频率时，逆变器的工作状态为零电压切换；当开关管的开断频率高于谐振频率时，开关频率仍为设定好的开关管工作频率，但是开关管还没有到达零电压的状态就会切换，不是零电压切换。图4为使用PSCAD对测试平台电路进行仿真的原理图和逆变波形图。

1.2 磁环测量方法

待测样品原边和副边的绕线分别缠绕在磁环两侧，绕线之间不交叉或重叠。磁环原边使用皮尔森线圈(电流检测探头)来采集原边电流，磁环副边空载以减少不必要的损耗，并使用高压差分探头采集副边电压。

图4 PSCAD仿真图

根据安培定律，通过原边电流计算得出磁场：

N1I1=Hl

(5)

式中N1为原边绕组匝数；I1为原边电流(A)；H为磁场强度(A/m)；l为待测样品的磁路长度(m)。

根据法拉第电磁感应定律，可以通过电压积分求得副边磁通密度：

(6)

式中N2为副边绕组匝数；S为待测磁环截面积(m2)；u(t)为副边的感应电压(V)。

2 实验结果

对型号为1K107B的纳米晶磁环进行磁滞回线和损耗的测量，磁环的尺寸为：25*20*10(mm)。激励信号为10 kHz的正弦波。将测量所得的电压和电流波形曲线显示在Tek示波器上，如图5所示。绘制出如图6的磁滞回线，计算得到的损耗如表1所示。

将10 kHz正弦波励磁条件下的实验结果与图7中函数信号发生器搭配NF4502型功率放大器的测量平台在同样条件下得出的波形结果进行对比，结果见图8。

其中功率放大器测得磁环的损耗为9.626 8 W/kg，推挽谐振逆变电路的测量结果误差为3.3%，可见搭建的实验平台具有较高的测量精度。

图5 最大磁通密度为0.7 T下待测样品的波形

图6 最大磁通密度为0.2 T，0.7 T和1.2 T的纳米晶磁环磁滞回线

表1 不同磁通密度下25*20*10(mm)纳米晶磁环在10 kHz正弦波励磁下的损耗

图7 功率放大器测量平台

图8 最大磁通密度为0.7 T的磁滞回线

3 用可调电阻调整输出电压

推挽谐振振荡电路的相关研究表明，当电路负载不连接磁环而是纯电阻负载时，在高频谐振条件下，通过调节负载的电阻值能够有效调节电路的输出电压，逆变电路的输出电压值与电路中电容值C1以及负载电阻RL值呈正相关，只要调整电路的电容和电阻的参数，就可以升高或者降低逆变电路的输出电压。

磁环测量平台的负载通常是以待测磁环电感为主的感性负载。文中搭建的测量平台在保证待测磁环准确测量的前提下，使用可调电阻调节逆变电路输出电压，即针对电感负载的调压。使用皮尔森线圈进行电流采样，不引入额外的测量误差。实验证明，可调电阻的大小与磁环感应电压波形的幅值呈负相关性，图9为励磁电压为10 V时感应电压随可调电阻的变化关系。从示波器绘制的李萨如图形上可以清晰地观察到可调电阻变化对测量结果的影响。图10为随着可调电阻从200 Ω～0变化，磁滞回线的图形变化。

图9 感应电压幅值随可调电阻的变化关系

图10 可调电阻阻值从200 Ω逐渐减小到0的磁滞回线变化图

电阻阻值在0～5 Ω之间，示波器得出的李萨如图形出现明显的畸变，不利于示波器采样。当可调电阻无限接近于0时，波形将受到明显的50 Hz工频信号的干扰，这是由于整个电路都是由无功元件构成所导致的。如果可调电阻的阻值过大，根据式(7)，施加的励磁电压功率很大一部分消耗在了可调电阻上，会导致测量平台工作效率降低。

(7)

式中RL为可调电阻阻值(Ω)；PL是测量过程中可调电阻产生的损耗(W)。以25*20*10(mm)的纳米晶磁环为例，保证磁滞回线图像不失真的可调电阻临界值与励磁电压的关系见图11。

图11 电阻临界值与励磁电压大小关系

图11得出的线性关系符合式(5)对于励磁电流的计算结果。一般的磁环测量平台在测量过程中需预先设定好输入电压，如果要调节励磁电压大小，涉及到信号发生器和功放设备也要进行调整。通过调节电阻值来调节输出电压的方式简化了测量过程且足够安全。平台具备灵活调节输出电压的特点，对观察磁滞回线的变化趋势有一定帮助。