陳 鵬，陶 智

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混合磁芯脈沖電壓耦合器的寬頻帶電路仿真模型

陳 鵬1,2，陶 智1

（1. 蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215000；2. 蘇州泰思特電子科技有限公司，江蘇 蘇州 215000）

采用阻抗不同的AB兩種磁芯，提出了兩種混合AB磁芯的脈沖電壓耦合器模型，即AA+BB和A+B兩種混合磁芯設(shè)計方案，然后建立了電路仿真模型進(jìn)行分析；最后，制作試驗電路對該耦合器進(jìn)行高壓電容器放電試驗。高壓試驗結(jié)果表明，混合磁芯耦合器的仿真電壓和電流波形與試驗波形基本吻合，從而驗證了電路仿真模型的正確性。

電壓耦合器；非線性電感；渦流電阻；混合磁芯；電路仿真模型；電容器放電試驗

在電磁兼容試驗領(lǐng)域中經(jīng)常需要通過耦合器將試驗電壓施加到被試設(shè)備上。為了滿足寬頻帶電壓試驗要求，部分標(biāo)準(zhǔn)推薦采用混合磁芯耦合器。

DO-160G標(biāo)準(zhǔn)一共規(guī)定了5種電壓試驗波形，其頻率涵蓋了從kHz到MHz的寬頻帶范圍。該標(biāo)準(zhǔn)還特別規(guī)定了耦合注入試驗方法。所謂耦合試驗就是要求試驗電平通過耦合變壓器方式施加到被試品上（如電纜束）。為了滿足寬頻帶信號耦合要求，本文提出了混合磁芯耦合器設(shè)計，也就是說這種耦合器的磁芯由兩種或兩種以上磁芯材料構(gòu)成。其具有優(yōu)良的幅頻特性曲線，它不僅在低頻段和中頻段具有很高的電壓增益，而且在高頻段以上具有適當(dāng)?shù)脑肼曀p比。這種磁芯設(shè)計的關(guān)鍵是通過選擇合適的磁芯配比從而獲得耦合器所需的轉(zhuǎn)折頻率。

為了定量研究耦合器的頻率特性曲線就必須建立電壓耦合器的寬頻帶等效模型。目前國內(nèi)外雖有部分文獻(xiàn)提及了混合磁芯技術(shù)，但是未見其電路仿真模型研究的相關(guān)報道。國外Trung等[1-3]提出了基于波穿透理論的渦流電阻計算方法；國內(nèi)陳鵬等[4-6]進(jìn)一步簡化了前人的計算結(jié)果，將非線性電感和渦流電阻均等效為磁通密度的函數(shù)。

本文提出了一種創(chuàng)新性的設(shè)計方案，即A+B混合磁芯設(shè)計方案，建立了AA+BB和A+B兩種混合磁芯的非線性電感和渦流電阻模型；最后通過高壓電容器放電試驗驗證了兩種等效模型的正確性。

1 電壓耦合器概念設(shè)計

電壓耦合器的物理本質(zhì)是1臺二次側(cè)空載的脈沖變壓器，如圖1所示。其中，U形環(huán)為變壓器的磁芯，p為原邊的勵磁電壓，p為原邊繞組的匝數(shù)。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律知，磁芯的截面積可取為：

式中：?為磁通密度變化量。對于單極性工作電壓，?≤s最大磁通飽和密度），即只能工作在第一或第三象限；對于雙極性工作電壓，?≤2s，即磁芯可以工作在第一和第三象限。

一般地，變壓器上下兩塊U形磁環(huán)的磁性材料是相同的，故稱之為單一磁芯耦合器。本文采用阻抗不同的AB兩種磁芯進(jìn)行混合，提出了兩種混合磁芯設(shè)計方案。分別如圖2（a）和2（b）所示。

(a) AA+BB型混合磁芯

(b) AB型混合磁芯

圖2 兩種混合磁芯耦合器設(shè)計

Fig.2 Coupler designs of two kind of hybrid magnetic cores

這兩種混合磁芯有著本質(zhì)區(qū)別：1）AB磁芯中，A型和B型承受的磁通密度始終相等；2）AA+BB磁芯中，A型和B型磁芯承受的磁通密度可能不等。

2 混合耦合器建模方法

從磁芯建模角度來看，傳統(tǒng)單一磁芯組成的電壓耦合器可以等效為1臺二次側(cè)空載的變壓器，如圖3所示。其中，Lo和Ro為原邊線圈的空心電感和銅損電阻，Lm和Re為鐵芯的非線性電感和渦流電阻。

圖3 耦合器等值電路模型

文獻(xiàn)[1]給出了磁芯參數(shù)m和e的計算方法。

耦合器的磁芯電感可以等效為一個電流源模型，流過其中的電流L可表示為磁通密度的函數(shù)：

式中：為磁場強(qiáng)度；為磁路長度；=()為磁性材料的-磁化曲線函數(shù)（通常是已知的）。

渦流電阻e可表示為磁通密度的指數(shù)函數(shù)：

e=oe±KB（3）

式中：o和為常數(shù)。當(dāng)磁通密度增加時，之前的符號取正；反之，則之前的符號取負(fù)。

2.1 AA+BB型混合磁芯模型

AA+BB混合磁芯的電路仿真模型如圖4所示。由圖可見，這種混合磁芯設(shè)計中，A型和B型磁芯之間沒有聯(lián)系，相當(dāng)于兩只鐵心電感器串聯(lián)而已。

圖4 AA+BB型磁芯等值電路模型

2.2 A+B型混合磁芯模型

A+B型混合磁芯的電路仿真模型如圖5所示。其中，A和B分別為A型和B型磁芯的渦流電阻，A和B分別為A型和B型磁芯的鐵芯電感量。

下面給出圖5電路仿真模型的推導(dǎo)過程。推導(dǎo)過程中需要將圖2（b）所示的AB混合磁芯看成單一磁芯，其等值電感和渦流電阻分別為m和e。

圖5 AB型磁芯等值電路模型

如果混合磁芯能夠等效為單一磁芯，則A型和B型磁芯在任意激勵作用下的有功功率相等，即：

式中：A和B為A型和B型磁芯勵磁電壓。

磁通密度A和B產(chǎn)生的感應(yīng)電壓分別為：

式中：A和B分別為混合磁芯中A、B磁芯有效導(dǎo)磁截面積；A和B分別為A、B磁芯承受的磁通量。

事實上，端電壓A和B總是相等，原因如下：

1）A=B。在混合磁芯設(shè)計中，為了減小接縫處的漏磁通量，A型和B型磁芯的截面積總是相等。

2）A=B，即A型和B型磁芯承受的磁通量近似相等。原因是兩者在接縫處的漏磁通量為零。

很顯然，如果假設(shè)A型、B型磁芯與等效后的單磁芯承受的磁通密度相等，則mag=A(或B)。

將A=B=mag代入公式（4），得：

按照同樣的思路，假設(shè)無功功率相等，則有：

L=LA+LB（7）

式中，LA和LB為流過電感LA和LB的電流。

綜合公式（6）和（7）知，AB混合磁芯中的A磁芯和B磁芯是等效并聯(lián)的，如圖5所示。

2.3 磁芯設(shè)計分析

兩種混合磁芯設(shè)計在電路原理上的主要差異：

1）AA+BB混合磁芯中，AA和BB磁性存在串聯(lián)均壓問題。這是因為兩種磁芯的阻抗不等。在這種設(shè)計方案中，阻抗越大的磁芯越先進(jìn)入飽和。

2）A+B混合磁芯中，A磁芯和B磁芯存在發(fā)熱不均勻現(xiàn)象。這是因為流過兩種磁芯的渦流電流不相等。渦流電流越大的磁芯其發(fā)熱量也越大。

3 耦合器設(shè)計及其試驗

本文綜合了AA+BB和A+B兩種混合磁芯設(shè)計方案，如圖6所示。它不僅可以獲得良好的幅頻特性曲線，而且有效緩解了AA+BB兩種磁芯由于串聯(lián)不均壓引起的漸進(jìn)飽和特性。在耦合器工作過程中，如果部分磁芯過早進(jìn)入飽和狀態(tài)，則該部分磁芯就失去電磁作用，從而影響后續(xù)工作過程。此外，較為嚴(yán)重的漸進(jìn)飽和特性會引起信號的耦合失真。

3.1 溫升試驗

根據(jù)圖5所示電路模型可知，兩種磁芯的發(fā)熱量反比于其渦流電阻。為了驗證上述結(jié)論的正確性，提出了如圖7所示的試驗電路，其中，U型磁芯為A+B混合型，且B型磁芯的比損耗值為A型的3.1倍。經(jīng)過試驗知，A型和B型磁芯的溫升分別為41℃和15℃，二者近似反比于其比損耗（或渦流電阻）。

3.2 沖擊電壓試驗

圖6混合磁芯的等值電路模型如圖8所示。

圖8 混合磁芯耦合器電路模型

為了驗證模型正確性，搭建了如圖9所示的試驗電路。其中，Xrea為圖6所示的混合磁芯耦合器，Rinc為脈沖電容器的等值內(nèi)阻[7~8]，MS為機(jī)械開關(guān)。

需要特別指出的是，電容器內(nèi)阻Rinc對電容器放電電壓和放電電流有很大影響，不可忽略不計。

通過電容器放電和電路仿真方法分別得到耦合器Xrea的兩端電壓波形和流過其中的電流波形分別如圖10和圖11所示。

從圖10和圖11可以看出，仿真波形與試驗波形高度吻合，這就證明了圖8仿真電路模型的正確性。

圖10 耦合器的放電電壓波形

圖11 耦合器的放電電流波形

4 結(jié)論

（1）耦合器磁芯電路仿真模型可以等效為非線性電感和渦流電阻的并聯(lián)模型，其中，鐵心電感電流L和渦流電阻e均可表示為磁通密度的函數(shù)。

（2）AA+BB混合磁芯可以近似認(rèn)為A型和B型磁芯是串聯(lián)連接的，A+B混合磁芯的A型和B型磁芯可認(rèn)為是并聯(lián)連接的，即二者等效電路模型不同。

（3）A+B型磁芯中兩塊磁芯的發(fā)熱量反比于其渦流電阻值，也就是反比于磁性材料的比損耗值。

（4）圖8所示的等值電路模型準(zhǔn)確反映了圖6給出的AA+BB與A+B混合耦合器的電路瞬態(tài)響應(yīng)特性，可用于研究該電壓耦合器的幅頻特性曲線。

[1] TRUNG L, FISCHER A W. On the simulation of value reactors[C]// 2007 European Conference on Power Electronics and Application. NY, USA: IEEE, 2007: 1-9.

[2] FINK J H, BAKER W R, OWREN H M. Analysis and application of a transformer core that acts as an arc snubber [J]. IEEE Trans Plasma Sci, 1980, PS-8(1): 33-38.

[3] ASAKA K, ISHIHARA C, BABA N, et al. Anode reactor powder cores for DC transmission systems [J]. J Jpn Soc Powder Powder Metall, 2000, 47(7): 705-710.

[4] 陳鵬, 曹均正, 魏曉光, 等. 高壓直流換流閥用飽和電抗器的暫態(tài)電路仿真模型 [J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(1): 288-293.

[5] CAO J, DAVIDSON C, MOULSON S. Dynamic modeling of saturable reactor for HVDC applications [J]. IET Sci Meas Technol, 2007, 1(3): 138-144.

[6] 張建國, 付興珍. 高壓直流輸電晶閘管閥用飽和電抗器的設(shè)計[J]. 西安航空技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報, 2010, 28(3): 30-33. [7] 齊文達(dá), 雷彬, 李治源, 等. 被動電裝甲高功率脈沖電路參數(shù)特性分析[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(6): 1857-1864.

[8] ZOLPER J C. Emerging silicon carbide power electronics components [C]//IEEE 2005 Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC 2005). NY, USA: IEEE, 2005: 11-17.

（編輯：陳渝生）

Wide-band circuit simulation model of pulsed voltage couplers made of hybrid magnetic cores

CHEN Peng1, 2, TAO Zhi1

(1. Soochow University, Suzhou 215000, Jiangsu Province, China; 2. Suzhou Test Electronic Co., Ltd, Suzhou 215000, Jiangsu Province, China)

Using A and B two kinds of magnetic cores with different impedances, two models of pulsed voltage couplers made of A，B hybrid magnetic cores were proposed, which were two kinds of AA+BB and A+B. Then the circuit simulation models were built and analyzed. Finally, the high voltage capacitor discharging tests on the coupler were conducted by using the fabricating test circuit. The test results show that the simulation waveforms of voltage and current coincide with those of the tests. The validity of circuit simulation model is verified.

voltage coupler; nonlinear inductance; eddy-current resistance; hybrid magnetic cores; circuit simulation model; capacitor discharge test

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.01.015

TM622

A

1001-2028（2017）01-0076-04

2016-10-25

陳鵬

江蘇省博士后科研資助計劃（No. 1601016C）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研基金項目資助（No. BY2016043-06）

陳鵬（1983－），男，山西保德人，高級工程師，主要從事電力電子器件應(yīng)用技術(shù)研究，E-mail: chenpeng20020050@163.cnn；

陶智（1983－），男，江蘇蘇州人，教授，研究方向為信息與信息處理，E-mail: taoz@suda.edu.cn。

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161230.1024.016.html

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-12-30 10:24:33