spwm变换器中输出变压器偏磁的抑制

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1、SPWM全桥逆变器输出变压器直流偏磁的抑制蒋晓梅(苏州大学机电学院，江苏苏州215006）摘　要：分析了在SPWM开关型变换器中，变压器产生直流偏磁的机理。提出了一种基于电压电流反馈控制的技术，提出了解决正弦波逆变器偏磁的方法，并提供了较为实用的拓扑电路，同时分析了它的工作机理。该电路的有效性在介质阻挡强电离放电用IGBT全桥逆变电源中得到了验证。　　关键词：逆变器；直流偏磁；变压器；SPWM中图分类号：文献标识码：RestrainingMagneticBiasforOutputTransformerofPWMConverterBAIPing,ZHANGDairun(Institu

2、teofElectricalEngineering,SichuanUniversity,ChengduSichuan610065China)　　Abstract:ByanalyzingthecausesofthemagneticbiasinthePWMconverter,anewapproachwasgivenanditsworkingprincipleisanalyzed.Theeffectivenessofthecircuitisprovedinthe20kHz/2kWfullbridgeinverter.　　Keywords:converter;magneticbias;PW

3、M0.引言　　SPWM全桥逆变器相对半桥而言，开关电流减小了一半，因而在大功率场合得到广泛的应用。在SPWM全桥逆变器中，为实现输入输出之间的电气隔离和得到合适的输出电压幅值，一般在输出端接有交流变压器。SPWM控制的全桥逆变器，却会因各种不可预见的因素，导致输出变压器中存在直流分量，引起单向偏磁现象，偏磁可以说是SPWM全桥逆变器中的一种通病。只是在不同的场合严重程度不同而已。变压器的偏磁轻则会使变压器和功率半导体模块的功耗增加，温升加剧，变压器机械噪音大（变换器开关频率或调制频率在音频范围内时），严重时还会损坏功率模块，使其不能正常工作。它严重威胁到系统的正常运行。为了防止或减

4、少变压器中的直流分量，本文采用以逆变桥各桥臂中点电压及变压器原边的直流电流作为反馈来抑制直流偏磁的方法。经在10kHz/15kW的全桥逆变电源中的应用，证明该电路有效、实用。1.高频变压器偏磁机理　　偏磁是指加在变压器两端的正反向脉冲电压的伏秒乘积不等，从而造成变压器磁芯的磁滞工作回线偏离坐标原点的现象。工作时变压器的磁感应强度可表示为：B=U1AeN1dt(1)励磁电流Iµ的变化率为：Iµ=U1L0µ0µrN12Ae(2)式中U1为变压器初级电压；Ae为铁心截面积；N1为初级绕组匝数；L0为变压器铁芯磁路长度；µ0为空气磁导率µr为变压器铁心相对磁导率。在SPWM全桥逆变器中，由

5、式（1）可知，若输出变压器初级电压正负半周波对称，正负半周波伏秒积相等，其正反向最大工作磁感应强度Bmax也相等，铁芯磁工作点为中心沿着磁滞回线对称的往复运动。由图（1）所示的变压器磁芯磁化曲线可见此时没有偏磁存在。反之若输出变压器初级电压正负半周波不对称，正负半周波伏秒积不相等，则使正负半波磁感应强度幅值不同，磁工作区域将偏向第一或第三象限，即形成直流偏磁。导致变压器铁芯饱和，偏磁的持续积累最终使铁芯进入深度饱和，磁工作点进入非线性区，铁心相对磁导率µr迅速减少由（2）式可知励磁电流Iµ迅速增大导致变压器过热，最终导致器件毁坏。概括的说逆变桥SPWM波正负脉冲不对称是引发偏磁的根

6、本原因。图1变压器磁芯磁化曲线造成“伏－秒”面积不等的具体原因有：　　1）功率半导体模块(IGBT)开关速度的差异；　　2）功率半导体器件(IGBT)通态压降的差异；　　3）各种信号传输延迟的不同；　　4）电路设计不当，工艺欠妥。2偏磁抑制措施比较目前，在各种形式的全桥PWM变换器中，都存在着不同程度的偏磁问题，为此在很多文献中提到了各种解决方法。一般多采用在变压器原边串联电容，利用电容特有的隔直特性将原边中的直流分量滤除。这种方法虽然简单但有一定的局限性，因为，所有的原边电流都要流过隔直电容，使电容的工况相当严重，电容的可靠性及寿命将严重地制约变换器的可靠。此外，一些资料也提出了

7、一些抗直流偏磁的控制方法，如逐脉冲电流检测法、电流型PWM控制法、采样保持法、双环控制法等，但它们只适用在DC/AC/DC变换器中的逆变部分。或仅适用于PWM型直流变换器。如通常采用校正每个开关周期的脉宽来消除偏磁，他应用在PWM变换器中不存在对输出波形的影响，但SPWM正弦波逆变器的每个开关周期的脉宽本来就不一样，采用此方法会导致严重偏离SPWM模式，产生调制失真，最终使输出波形畸变。3.SPWM直流偏磁抑制原理及方法变压器初级直流电压的存在是造成正反方向的伏秒面积