SPWM逆变电源抗直流偏磁的研究

1.引言

SPWM全桥逆变器中，为了实现输入输出之间的电气隔离以及得到合适的电压幅值，一般在输出端接有基频交流变压器。逆变桥输出电压为SPWM脉冲波，变压器承受从基频到高频的电压分量，理论上不存在直流分量。但是，在实际运行过中，各种因素使得变压器的输入电压中的直流分量难以避免，直流分量的存在致使铁心饱和，从而加大了变压器的损耗，降低了效率，甚至会引起逆变器颠覆，对系统的运行有着极大的危害，必须采取措施加以解决。

2.偏磁产生的主要原因

图1 单相全桥逆变电源系统

变压器铁心中的磁场强度H与原副边电流、变压器铁心长度L之间的关系为

( 1 )

从(1)式中可以看出，当

中含有直流分量时，H中才会产生直流分量，由铁心的磁化曲线可以知道H中含有直流分量时，磁感应强度B中也必然含有直流分量。有因为

可分为激磁电流

[和变压器副边负载电流折算到原边的电流

两部分，并且

和

在铁心内产生的磁感应强度总是大小相等，方向相反相互抵消的，所以 中的直流分量仅取决于激磁电流

中的直流分量

。设变压器原边电压中的直流分量为

，变压器原边直流电阻为

，则

(2)

从式(2)中可以看出，在SPWM全桥逆变器中，若变压器原边电压正负半周波形对称，正负半波伏秒积分相等

为0;反之，若变压器原边电压正负半周的波形不对称，正负半波伏秒积分不相等，产生直流分量

。

造成原边电压正负波形不对称的主要原因：

(1) 逆变器中两桥臂各功率管的导通时饱和压降不同，关断时的存储时间不一致，使得加在变压器原边的电压正负波形幅值不等;

(2) 控制电路输出的驱动脉冲正负半周不对称;

(3) 控制系统采用了波形矫正技术，在动态调节过程中调制波容易出现正负半周面积不等的情况，从而产生“动态”不平衡。

3.解决偏磁问题的方法

由上述分析可知，在SPWM全桥逆变器中必然存在着直流偏磁。直流偏磁的存在会导致铁心饱和，加大了变压器的损耗，降低了效率，增大了噪声，严重时会引起逆变器颠覆，损坏功率开关管，严重影响逆变器的正常运行，因此必须采取措施加以解决。

为解决SPWM全桥逆变器中存在的直流偏磁问题，一般可采取如下措施：

1) 增加变压器铁心气隙，增加铁心的磁阻，但是这样降低了变压器铁心的利用率，且增大了变压器的体积和重量。

2) 在变压器的原边绕组串联一个无极性隔直电容。这种方案不适合大功率逆变电源。大功率逆变电源中因为无极性电容耐压和容量的限制，需要大量的电容进行串并联，从而加大了成本、体积和重量。另外，主电路中如果串入隔直电容，会降低了功率传递效率，影响系统的动态特性。

3) 选择饱和压降和存储时间特性一致的开关管，减小控制电路的脉宽失真和驱动延时。

4) 在动态情况下限制控制信号的最大变化率，使正负半波尽量对称，这样也会影响系统的动态响应速度。

文献[1]提出的静态补偿和适时补偿的方法能够较好地解决SPWM全桥逆变器中的直流偏磁问题，但是属于模拟控制。文献[3]提出的自适应控制方法需要对变压器的原副边电流进行分别采样，需要两个电流传感器，增加了系统的成本和体积，在算法上也相对比较的复杂。本文通过采样变压器原边电压，通过数字PI控制器来调整触发脉冲的宽度，从而较好地解决了SPWM全桥逆变器中的直流偏磁问题。

4.抗变压器偏磁的控制方法

由前面的分析可知，SPWM全桥逆变器中，在没有直流偏磁的理想情况下，输出变压器原边电压中的直流分量

=0，即正负半周波形对称，电压的伏秒积分为0。这一点也可以由变压器工作时，磁感应强度B的变化率得知

(3)

在有直流偏磁的情况下，输出变压器铁心工作磁滞回线中心点偏离零点，从而造成在一个周期内

，即电压的伏秒积分不为0。

图2 抗直流偏磁控制器

图2是SPWM全桥逆变器抗直流偏磁控制器的原理图。PI调节器使误差

为一个很小的值。PI调节器根据

来产生所要求的控制量。PI控制算法的表达式为：

(4 )

(5)

在本文中通过检测变压器原边电压在几个周期内的变化量，利用PI调节器得出的控制量来适时的调整触发脉冲的宽度，把变压器直流偏磁限制在较小的范围之内。

5.偏磁控制系统的仿真实验

5.1变压器偏磁后的仿真分析

原边电压中的直流分量大小直接关系到变压器的饱和程度。直流分量越大，电流上升率越大，波形畸变越严重。由图3和图4可以看出，变压器进出饱和后，原边电流随着电压的升高急剧增大，电流严重畸变，其波形中含有尖峰现象。原边电压中的直流分量越大，电流的上升率越大，变压器的原副变的比值关系不再符合正常工作时的比例关系。

图3 变压器偏磁饱和原边电流波形

图4 变压器偏磁饱和原边电压波形

5.2数字PI抗偏磁的仿真与分析

数字PI控制把变压器的原边电压做为反馈量进行闭环控制，对变压器的直流偏磁加以矫正，使的变压器原边的直流分量为零。

从图5可以看出，引入变压器抗偏磁控制回路以后，变压器原边的电流波形得到明显的改善，证明改方法能够有效的抑制变压器的直流偏磁。

图5 矫正后变压器原边电流波形

6.结论

本文分析了变压器偏磁产生的主要原因，在此基础上提出了抗压器偏磁的控制方法，并对变压器偏磁和加入抗偏磁控制电路以后的系统进行了仿真实验，结果证明该方法抑制磁饱和的有效性。

参考文献

[1] 杨荫福，周党生等. SPWM逆变电源输出变压器直流不平衡问题[J]. 华中理工大学学报,1999, 27(6)：72-73.

[2] 高军，杨旭，王兆安. 正弦波逆变电源抗偏磁电路的研究[J]. 电工电能新技术，2000，4：8-11.

[3] 孙力，聂剑红，杨贵杰等.SPWM中频电源输出变压器偏磁分析与控制[J]. 机与控制学报，2001，5(3)：166-170.

[4] 杨莉莎，杨荫福，李勋. 单相桥式逆变电路输出变压器直流偏磁的抑制[J]. 电力电子技术，2003，32(2)：44-45.

[5] 李宏.全桥逆变电路抗偏磁应用研究[J].电力电子技术，1998，32(3)：61-63.

[6] ENRICO D,GIUSEPPE V, Analytical and experimental approach to high-frequency transformer simulation [J]. IEEE Transacionson Power Electranics,1999,14(3)