逆变器变压器偏磁校正方法介绍

　　逆变电源变压器偏磁原因分析

　　与普通变压器的工作状况不同，逆变电源变压器容易出现偏磁问题，偏磁是逆变电源变压器的特有现象。这是由于当变压器铁心中的磁感应强度存在直流分量时，磁感应强度的波形正负半波不对称，或向上偏或向下偏，这种现象称为变压器的偏磁现象。偏磁严重时会导致变压器铁心出现磁饱和。变压器磁饱和对整个电源系统的正常运行将产生极其不利的影响，表现在以下几个方面：

　　（1）变压器饱和时，由于励磁电流很大，将导致逆变器开关器件的电流过大，可能使过流保护动作或开关器件损坏;

　　（2）变压器饱和时，由于励磁电流中含有大量的谐波成分，谐波电流在变压器漏感上的谐波压降将导致输出电压波形出现严重畸变;

　　（3）变压器饱和时，由于励磁电流很大，将使变压器的发热及噪声增加。

　　于是对逆变电源变压器偏磁产生原因进行深入研究，并提出有效的抗偏磁措施显得尤其必要，本文将在下面进行探讨。

　　设I1、I2分别表示逆变电源变压器原边、副边的电流，H表示铁心中的磁场强度。NI，N2分别表示变压器原边·副边绕组匝数。L为变压器铁心的磁路长度。由安培环路定律得：

　　H*L==I1*N1+I2*N2（2.19）

　　设u1dc、i1dc分别表示u1、i1中的直流分量。Hdci2dc分别表示H，i2中的直流分量。R1表示变压器原边绕组的电阻。由（2.19）式知，变压器中直流分量产生的磁场强度为：

　　Hdc=1/L（N1*u1dc/R1+i2dc*N2）（2.20）

　　由（2.20）式知，造成逆变电源变压器出现偏磁的原因有两个：

　　（1）变压器原边电压中存直流分量;（2）变压器副边电流存在直流分量。

　　在逆变电源系统中，如果给定的正弦波或者三角载波中存在直流分量，或反馈所用的霍尔元

　　件存在零点漂移，或开关管驱动信号的死区时间不一致等都会导致变压器初级电压中存在直流分量;当逆变电源的负载是单相半整流负载时，变压器次级电流中也将出现直流分量。

　　逆变器变压器偏磁校正方法介绍

　　1、前言

　　在SPWM开关型变换器中，主变压器的偏磁可以说是一种通病。只是在各种应用场合中，表现的程度不同而已。偏磁的后果是十分严重的，轻则会使变压器和功率半导体模块的功耗增加，温升加剧，变压器的机械噪声增大（当开关频率或调制频率在听觉范围内时），严重时还会损坏功率器件，使逆变器不能正常工作。因此，抗偏磁是开关型逆变电源的的关键问题之一。

　　本文在比较分析了PWM和SPWM变压器铁心的不同磁化过程的基础上，提出了SPWM型逆变电源抑制变压器偏磁的新方法，即以逆变桥各桥臂中点电压作为反馈来抑制直流偏磁。并已成功应用在400Hz单、三相系列变频电源中，验证了该方法的实用性和可靠性。

　　2、变压器铁心的磁化过程及抑制偏磁方法比较

　　开关型逆变电源主变压器铁心的电磁过程与普通变压器一样均满足电磁感应定律，为方便分析可认为绕组电阻，漏感，变压器分布电容等都等于零。这样，加到变压器初级绕组的电压u1和绕组感应电势相平衡。因此，

　　式中：B为铁心的磁感应强度；

　　S为铁心截面积；

　　N1为初级绕组匝数；

　　kT为铁心面积的有效系数；

　　φ为变压器主磁通。

　　由式（1）可得磁感应强度

　　式中：Br为t=0时铁心中的磁感应强度。

　　为分析方便将式（2）写为增量形式并考虑到在PWM和SPWM型逆变器中，u1为幅值恒定的脉冲量，因而磁感应增量变成

　　从而磁感应增量ΔB（t）成为时间的线性函数。对于全桥PWM型逆变电路，正常情况下，变压器正、反方向的方波“伏－秒”面积相等，铁心的磁感应强度与方波脉宽成正比，变化如图1（a）所示，且磁化曲线对原点对称。而SPWM型逆变电路中各个脉冲的宽度不一样，而且随载波比的变化而变化，ΔB（t）的大小与SPWM脉冲宽度成正比关系，其电压波形和铁心中的磁感应强度的波形如图1（b）所示。此时，磁化曲线在一基波周期对原点对称。

　　（a）PWM型变压器铁心磁感应强度

　　（b）SPWM型变压器铁心磁感应强度

　　图1变压器原边电压及磁感应强度

　　当变压器原边含有直流成分时，PWM型变换电路的正、反方向的方波“伏－秒”面积不再相等，磁通将向某一方向逐渐增加，最终导致变压器铁心磁感应强度超过饱和磁感应强度而饱和，磁化曲线将不再对原点对称。在SPWM型变换电路中，当含有直流成分时，将在变压器铁心中产生恒定的磁链。从而使得变压器磁通在基波周期将不再是正、反方向相同的正弦波，其范围将由正常时的±Δφ1m变为－Δφ1m＋φd～＋Δφ1m＋φd，变压器磁感应强度变动范围也由正常时的－B1m～＋B1m变为Bd－B1m～Bd＋B1m，磁化曲线也将不再对原点对称，导致半导体开关管损坏。

　　不少科技工作者根据自己的工程实践，提出了一些减小偏磁的办法，并取得了较好的效果其中有些办法仅适用PWM型直流变换器可以采用校正每个开关周期的脉宽来消除偏磁，不存在对输出波形的影响。而SPWM正弦波逆变器的每个开关周期脉宽本来就不相同，采用此方法会导致严重地偏离SPWM模式，产生调制失真，最终使输出波形发生畸变。对于SPWM正弦波逆变器。

　　3、正弦波逆变器抑制偏磁的新方法

　　概括地说，逆变桥SPWM波正负脉冲不对称是引发偏磁的根本原因。造成SPWM波正负脉冲不对称具体原因有：

　　1）功率半导体模块（IGBT）开关速度的差异（器件的离散性或非一致性）；

　　2）功率半导体器件（IGBT）通态压降的差异（同上）；

　　3）各种信号传输延迟的不同。

　　除此之外，如果电路设计不当，工艺欠妥也会产生偏磁。综上所述，无论SPWM控制信号采用何种方式［正弦波与三角波比较，单片机，还是专用集成电路（ASIC）］产生，偏磁总是存在的，只是程度有所不同。欲使变压器工作在理想（或合理）的状态，比较好的办法是使变压器的磁化曲线正、负方向对原点O对称。对于SPWM工作模式的变频电源，如果逆变桥中点输出的SPWM脉冲波（滤波之前）所代表的输出正弦波的正负面积相等，则表明输出波形中不含直流成分，即直流成分为零，变压器没有偏磁；反之，若正负面积不等，直流成分则不为零。变压器一次侧直流电压的存在是造成正、反方向的伏秒面积不等而引发偏磁的根本原因。如何检测出直流电压并通过适当的电路进行校正是抑制偏磁的技术关键。

　　3．1偏磁消除原理

　　正弦波全桥逆变电路主电路如图2所示，两桥臂中相交叉对应开关（S1，S4）和（S2，S3）分别组成两个开关组。逆变桥开关管的驱动信号为正弦波与三角波比较而得的SPWM驱动脉冲，所以，逆变桥一桥臂与0点的电压uAO可表示为一直流分量Uad和基波分量以及一系列谐波分量之和；同理，逆变桥另一桥臂与0点的电压uB0可表示一直流分量为Ubd和基波分量以及一系列谐波分量之和。可得变压器一次侧直流电压UAB=Uad－Ubd，当Uad=Ubd时，UAB=0。这种巧合是很难发生的，即便是通过控制使其差值为零，对于三相逆变器，很难满足其他相的差值也为零。如果通过分别校正每一桥臂的输出电压uA0，uB0，uC0，使其各自的直流成分均为零，即使每相中Uad、Ubd、Ucd为零。那么，输出变压器一次侧绕组中的直流成分也就消除了。这就是单、三相正弦波逆变器消除偏磁的统一方法。

　　图2全桥逆变主电路原理图

　　3．2控制框图

　　图3为SPWM正弦波逆变器中一个桥臂的抗偏磁电路的控制框图。I是逆变桥，0为直流中点，Rp为调节中点之用。II为低通滤波器，用于检测高压SPWM脉冲序列中的直流分量Uxd（x=1，2，3）。Uxd送到PI调节器进行误差放大，其输出信号uc作为脉宽调制器（PWM）的控制信号，使其输出的脉宽跟踪Uxd的变化。由此得到的平均值u0去校正控制电路的参考正弦，使其对横轴对称。如逆变桥臂的输出正弦波向上偏，通过调节校正，使其向下偏。使各桥臂中点的Uxd为零，从而达到消除偏磁的目的。整个过程是闭环动态实现的。

　　图3偏磁抑制电路的控制框图

　　3．3电路实现

　　抑制偏磁的硬件实现如图4所示。低通滤波器II，采用了RC无源低通滤波器实现，其中时间常数τ=RC。因为是对直流中点0滤波，应选择耐压大于400V，CBB类电容即可。核心电路III，IV可用一片双端输出PWM控制IC（例如TL494，SG3535，SG3524等）构成推挽式结构。脉冲变压器T用来隔离和获得需要的电压增益。u0是可调的，u0的不同，a点的电位也就不同，送到加法器的电压也就不同。如无偏磁，则u0=0，u0始终在零附近动态地闭环调节。

　　图4偏磁校正电路

　　三相电路应用方法与单相全桥完全相同，只是使用了3片集成芯片和3只小脉冲变压器（Φ26，2K磁罐作磁芯）。在实际应用中将三路控制电路制作在一小块印制电路板上（但要相互隔离）。如是单相正弦波逆变电源，仅装两路即可，具有较好的通用性。

　　图5比较了在400Hz正弦波逆变电源中，运用抗偏磁电路和不运用抗偏磁电路的电源输出电压波形。该波形由Tektronix公司的TDS201示波器采样获得。从图5（a）可以看出，变压器出现了偏磁导致波形发生了畸变，图5（b）为同样主电路装上抗偏磁电路后的电压输出波形，波形呈正弦波，THD《3％。

　　图5抗偏磁电路对电源输出电压比较

　　4、结语

　　通过对逆变桥每一桥臂中点直流电压分量进行检测，相应地在正弦信号中加入一自动可调的直流调整量，从而有效地解决了逆变电源直流偏磁问题。该方法不仅可用于单相全桥逆变电源，也可用于三相逆变电源，避免了三相电源耦合对偏磁的影响，不论是何种原因引发的偏磁（控制电路或主电路），均可有效地进行校正，是一种较为实用的消除偏磁的新方法。该方法从20世纪90年代初期设计成功之后，相继用于KZD，TAC，ATO，ATT等系列产品中，功率等级从2kVA到100kVA的单、三相400Hz正弦波逆变电源中。使变压器的温升降低约20℃，总谐波含量降低了3～4个百分点（THD《3％），较好地改善了装置的电特性。长期使用表明，该方法具有电路简单，效果好，成本低，可靠性高等诸多优点，可以产生较好的经济效益。

　　逆变电源变压抗偏磁措施

　　（1）尽量选用饱和磁感应强度高的铁磁材料作铁芯，如0. l mm的硅钢片压制而成的铁心，以提高变压器对偏磁的承受能力。

　　（2）使给定的正弦波或三角载波尽量不含直流分量：开关管驱动信号的死区时间尽量一致。

　　（3）尽量避免使用半波整流负载，即使电源带半波整流负载，功率也不能很大。

　　（4）变压器铁芯间加气隙。

　　（5）当逆变电源输出功率较小时，变压器原边可以串电容，隔离其直流成分。

　　（6）采用对变压器原边电压中的直流分量进行补偿控制来改善变压器偏磁饱和的方法。