電器件全橋軟開關(guān)PWM變換器中變壓器偏磁機理及抑制方法的研究許峰，王健強，徐殿國，柳玉秀哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系。哈爾濱。150001與不足。介紹了種新穎的基于平均電流模式的變壓器偏磁抑制方法。適用于各種拓?fù)湫问降娜珮蜍涢_關(guān)變換器，給出了電路原理。參數(shù)設(shè)計及實測波形，該方法己成功的應(yīng)用在功率為5kW開關(guān)頻率100kHz的全橋零電壓1變換器。

　　1高頻變壓器偏磁機理全橋變換電路拓?fù)溘?前，內(nèi)外漢變換器中比較常用的電路拓?fù)渲谥写蠊β蕬?yīng)用場合更圮首選拓?fù)浠镜娜珮蜃儞Q器根據(jù)供電方式的不同可分為電壓源型和電流源型兩類，其中電壓源咽全橋變換器在實際中得到廣泛應(yīng)用1所。此類變換器中普遍存在個十分棘手的問，即主變壓器的偏磁現(xiàn)象。當(dāng)偏磁嚴(yán)重時會導(dǎo)致變壓器磁芯中。向飽和。致使原邊繞組瞬1過流。損毀功率器件5.因此在各種全橋，胃變換器中，無論是采用硬開關(guān)方式或軟開關(guān)式。都必須采，相應(yīng)的偏磁抑制措施來保證變壓器始終處尸對稱甲衡運1狀態(tài)導(dǎo)致5頻變壓器偏磁的原因主戲打種1；功率器件通態(tài)壓降存在差異，1中以，4的管壓降之和與23的矜吒降之和不等，各路驅(qū)動們號傳輸過程中的延遲不同③功率器件自身開關(guān)速度上存在差異。在這些因素影響下，前者將導(dǎo)致施加在變壓器原邊繞組上的電壓波形正負(fù)幅值不等，后兩者則會導(dǎo)致變壓器繞組上的電壓波形正。負(fù)脈寬+等換句話說，原邊激1.在2反兩個方向激勵時，相應(yīng)的伏秒面積+相等，這種現(xiàn)象我們稱之為變壓器不衡運之所以，稱之為變壓器偏而當(dāng)原邊電壓波形出現(xiàn)伏秒積8不等時，該信號變成了非對稱的周期波2七，對其進(jìn)行諧波分析發(fā)現(xiàn)信號中除了含有基波和高次諧波之外，還包含了約20的直流分量，約占原邊電壓峰值的9.1.此時變壓器鐵芯的工作磁化曲線將不再關(guān)于原點對稱。

　　由于變壓器的原邊等效電抗對直流分量只呈現(xiàn)電阻特性，而原邊繞組的內(nèi)阻般都很小，因此原邊電壓中很小的直流分量就會在繞組中形成很大的直流激磁磁勢，該直流磁勢與交流磁勢起共同作用變壓器原邊繞組中，就會導(dǎo)致變壓器磁芯的1作磁化曲線產(chǎn)生偏移，不再關(guān)于原點對稱，即所謂變壓器磁芯出現(xiàn)了偏磁現(xiàn)象。當(dāng)偏磁嚴(yán)屯到定柙度，磁芯工作將進(jìn)入單向飽和區(qū)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，此時鐵芯導(dǎo)磁率將急劇1降。變壓器原邊等效電感迅速減小，回路電流瞬間上升，比較終導(dǎo)致功率器件燒毀。

　　2現(xiàn)有的變壓器偏磁抑制方法分析現(xiàn)有的各種拓?fù)湫问降娜珮?變換器中，或多或少都存在著偏磁問因此必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砑右砸种啤鹘y(tǒng)的全橋，胃變換器中抑制偏磁多采用在變壓器原邊串聯(lián)電容的方法利用電容特有的隔直特性將原邊電壓中的直流分量濾除。

　　電容須選用尤極仲1；值較小的薄膜電界，串聯(lián)電容法簡單實用，普遍適用于中小功率的全橋變換磁，是因為當(dāng)原邊電壓為標(biāo)準(zhǔn)的對稱周期方波時，對其進(jìn)行諧波分析可以知道它是由不含直流分量的基波和系列高次諧波組成的閣2此時變壓器磁芯的工作磁化曲線關(guān)尸原點對稱。

　　壓器工作的全過程中，所有的原邊電流都要流過隔直電容，因此電容的工況相對普通的濾波電容或費合電容而言要嚴(yán)重的多，尤其在高壓大功率的變換器場合，電容的可靠性和壽命成為制約電源整機可1泄的重要因素，因此。近年來人們在積極尋求解決全橋變換器偏磁的其他辦法，并已研宄出了多種有效的措施。

　　來對，脈沖寬度進(jìn)行微調(diào)的抗偏磁電路，如果電路檢測到原邊正負(fù)電流峰值不等，則電路輸出偏磁信號，經(jīng)，10放大后送到脈沖寬度微調(diào)電路，對脈覽進(jìn)行修正，以此來調(diào)節(jié)擬邊。負(fù)屯流仲代始終保持接近相等。該方法己成功的應(yīng)用在30開關(guān)頻率為20的變換器中，有自己的特色。存在的問有兩方面是偏磁抑制電路環(huán)節(jié)較多，需要2路采樣脈沖2個采樣保持器1個加法器1個0調(diào)節(jié)器。1個脈沖寬度微調(diào)電路；足上述屯路功能只有偏磁抑制作用。原邊過流保護(hù)功能，額外文，3介紹了種電流型相位調(diào)制電路，具有抗偏磁功能，它利用電流型控制技術(shù)自動衡伏秒積。8的特點，采用電流型，觀1控制芯片沉3846作為控制電路的核心，利用附加邏輯電路產(chǎn)生路移相控制信號。當(dāng)變壓器未發(fā)生偏磁或偏磁范圍不大時，變換器工作在電壓型，胃控制模式下，當(dāng)變壓器偏磁超過某限度時，變壓器次電流參與控到平衡。這種偏磁抑制電路的優(yōu)點是可應(yīng)用在全橋軟訃關(guān)變換器，其+足之處是山屯路不能隨，調(diào)節(jié)偏磁電流，只能在其超過定限度后才起作用；③變換器的軟汗關(guān)功能要附加的邏輯電路產(chǎn)生移相控制信號，而不能直接使用目前常用的移相控制芯片1兄3875系列。

　　法，這些方法各有優(yōu)勢，存在的共性問主要是或者偏磁電路較復(fù)雜，或者只，于硬開關(guān)方式的令橋變換器中，尚未到針對全橋零電壓零電流軟開關(guān)作變換器的偏磁抑制研允文獻(xiàn)3適用于移相式全橋軟開關(guān)1爨變換器的變壓器偏磁抑制方法個橋軟開關(guān)1胃變換器自上世紀(jì)8，代以來得到了廣泛深入的研究，并在近些年得到迅速發(fā)展。

　　針付傳統(tǒng)硬開關(guān)方式的全橋變換器的缺點，軟關(guān)過程則是通過屯感和屯容，癡癩使了飛器件中屯流過零時器件關(guān)斷，當(dāng)電壓下降到零時器件導(dǎo)通，從而使功率器件的開關(guān)損耗在理論上變?yōu)榱懔顦颍献儞Q器中較早提出的軟汗關(guān)方式足移相式令橋零電壓，控制方式88.與常規(guī)的全橋胃變換器相比它取消了緩沖吸收電路，在不增加元器件的怙況下使功率開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓導(dǎo)迪及關(guān)斷，減小了開關(guān)損耗，提高了整機效率，同時保持了恒頻控制的優(yōu)點。作者在開發(fā)電力系統(tǒng)直流操作電源梭塊的過程中，采用移相式叩2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3，并針對全橋軟開關(guān)變換器中存1的變壓器偏磁問，提出了種新穎的偏磁抑制方法，并將其成功的應(yīng)用在功率為51以開關(guān)頻率100扭2的變換器中，其原理5.

　　器，為飽和電感用于解決基本移相式廠83河變換器輕載時滯后橋臂實現(xiàn)困難的問，變換器，流管的過沖和振今現(xiàn)象。實測的變壓器原邊電壓原邊電流波形4，副邊整流電壓波形箝位電容。中流過的電流波形4士所小！黯罐膝部條在5中，32為測量次級箝位電流的互感器控制芯片，與常規(guī)3875接線方式不同的是，本電在變換器拓?fù)渲形串嫵觯?875為移相式，路中用于產(chǎn)生，河鋸齒波的電容，1未直接接地。

　　偏磁抑制的基本想是電路通過檢測變壓器原邊電流的正負(fù)幅值，并將其轉(zhuǎn)換為單向方波脈沖，然后與此3875原始的，鋸齒波進(jìn)行疊加合成合成后的信號作為實際產(chǎn)生，驅(qū)動脈沖的鋸齒波，將其與變換器的輸出電壓反饋信號進(jìn)行比較來產(chǎn)生所需要的驅(qū)動脈沖。這樣如果存在著偏磁，則，鋸齒波的幅值將不相等，于是輸出的前后兩個相鄰的胃脈沖寬度也不等由此來調(diào)節(jié)變壓器原邊電壓的占空比，確保施加在原邊繞組上的1.反兩個方向的屯祝伏秒積完乍相等，從而消除偏磁。具體的電路實現(xiàn)5，通過電流互感器31檢測得到原邊電流信號，經(jīng)全波整流和電阻取樣轉(zhuǎn)換為正向脈動電玉。6山于在偏磁，人信號前后兩個相鄰脈沖的幅值將不再相等，者記，采用次級箝位方式的廠烈8變換器代貨壓器原邊電流波形具有較大斜率參，因此必須設(shè)法將其補償為平直的波形。這里我們巧妙的利用次級箝位電流6，原邊電流廠7的原邊電流波形6.將該信與。3875鋸齒波信號幅值6該信號在10875內(nèi)部與變換器的輸出電壓反饋；1號4虛線進(jìn)行比較，即可得到削脈沖驅(qū)動信號6.由仰1馳動脈沖的寬度也不等。即。變壓器有輕微偏磁。屯路就將對脈沖進(jìn)行逐個脈沖調(diào)整，直到偏磁信號消失，況3875才輸出相等脈寬的胃驅(qū)動們號。

　　由于本電路中用于產(chǎn)生，胃鋸齒波的電容，1衣直接接地，而是通過電阻扔擬和，接地，這勢必將增大，胃鋸齒波的放電回路時間常數(shù)，因此在1點汕過隨矜，將電容接地，1的控制信號來自箝位驅(qū)動信號。而該信號是與，3875的時鐘脈沖，0忙同步的，這樣就為電容，1提供了個時間常數(shù)較小的放電回路，確保875的鋸齒波正常工作，次級箝位屯流瞬時位與原邊電流瞬時值，之間滿足列數(shù)學(xué)關(guān)系n變換器濾波電感0中的電流，由于0較大可視為忸流源為了利用箝位電容的電流信號來將原邊電流波形補償為平直的方波電壓信號，變壓器原副邊變比電流互感器變比及采樣電阻扭只2的數(shù)值須滿足1列關(guān)系式中看出當(dāng)變壓器存在偏磁時胃鋸出波前式中電流互感器幻的膃比；如果31與32選用相同型號或變比相同的互感器，則只需保證下式即可將原邊電流波形補償為平直的方波電壓信號仔分析不難發(fā)現(xiàn)，1述電路除了偏磁抑制功能外，實際上己構(gòu)成了個電流內(nèi)環(huán)，它與變換器原有的輸出電壓反饋環(huán)節(jié)即外環(huán)起構(gòu)成了動態(tài)響應(yīng)忭能良好的雙4收制系統(tǒng)，以電1卡外環(huán)為主擰制，電流內(nèi)環(huán)參與輔助控制，因此該電路還具有了貨吒器原邊電流過流保護(hù)的功能，設(shè)計人員根據(jù)所需的過流保護(hù)門限，適當(dāng)選取，的數(shù)值，并根據(jù)式2計算出相應(yīng)的尺2電阻值，旦變壓器原邊電流超過設(shè)定門限，變換器將關(guān)閉輸出此時沉3875的移相角為180.過流保護(hù)門限可按下式計算出現(xiàn)的比較大電壓值，它與輸出電壓反饋調(diào)節(jié)器在開環(huán)時的比較大值有關(guān)。

　　我們在研制的電力系統(tǒng)直流操作電源模塊中采用了上述偏磁抑制電路，并測試了有關(guān)的波形，電源梭塊的技術(shù)，數(shù)如孔輸入屯壓仰，叉，輸出電壓7=335 0，⒖，德石=1也滿載輸出功率戶=51整機效率=91.5滿載功率器件采用添，虹。偏磁抑制前即系統(tǒng)閉環(huán)前電路中各點的實測波形7.

　　由7可以看出，系統(tǒng)閉環(huán)前，由于輸出電壓起原邊電流的正反兩方向的幅值不等，即15VA點波形中前后兩個相鄰脈沖幅值不等，與沉3875的銀齒波合成后導(dǎo)致前后兩個鋸齒波的幅值也不等7七。而旦輸出電壓的反饋信號與，銀齒波相交，系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)狀態(tài)，偏磁抑制電路開始起作叫。電路中各點的實測波形如閣8.

　　由8可以看出，在偏磁抑制電路的調(diào)整下，變壓器原邊電流的正反兩方向的幅值己完全相等，因此點波形的前后兩個脈沖幅值也然相等，即變壓器偏磁現(xiàn)象己消除，變壓器進(jìn)入平衡工作狀態(tài)要說明的是。當(dāng)用士1數(shù)字不波器監(jiān)測1.3875的，碟管腳即糊，波信端波形時，由于波器探頭參數(shù)8.0汗的影響，聲，此時若強行令變換器進(jìn)入閉環(huán)，可能會導(dǎo)致1麗1調(diào)節(jié)失控，因此我們能監(jiān)測變換器閉環(huán)運行狀態(tài)下的，剛鋸齒波波形，同時建議讀者不要嘗試測量該端波形，以免造成不必要的損失。至于變1腠21攘擂，型孤碰察麟碟她，形的對稱役成監(jiān)測抑制電路中以點的波形來判斷。

　　對于采叫其他拓?fù)湫问降娜珮颍J(rèn)變換器，無論是硬開關(guān)方式或軟開關(guān)方式，均可采用本文介紹的偏磁抑制方法，區(qū)別僅在于對原邊電流采樣信號的補償處即。方式，只要能將該信號補償為頂部甲直的方波脈沖波敢即可采用該方法。例如用在傳統(tǒng)的硬開關(guān)方式場合，由于其原邊電流波形本身就，平頂?shù)牟}沖。因此可以不需要上述卟償環(huán)節(jié)。

　　而對于采1迅1的全橋零電壓零電流變換器作烈況30場合9，則可以直接采用該方法，無需作任何改動。

　　4結(jié)論U乍橋變換電路作為目前中大功率應(yīng)用場合首選的拓?fù)湫问剑蚨嗷蛏俣即嬖谧儔浩髌努F(xiàn)象，必須采取措施加以抑制。現(xiàn)有的偏磁抑制方法戌+能適應(yīng)高吒大功率場合或只適用于全橋硬斤關(guān)式。且電路較復(fù)，功能單2本文介紹的基于平均電流模式的變壓器偏磁抑制方法，適用于各種拓?fù)湫问降娜珮蛄汶妷毫汶娏鳎赋?，浠黃鰨，彩視糜詬髦中問降，逆變器。它與電壓外環(huán)起構(gòu)成動態(tài)響應(yīng)性能良好磁抑制功能外，還具，付變壓器原邊的過流保護(hù)功能1張占松。開關(guān)電源的原理與設(shè)計肘。電子工業(yè)出版社。北京。1998 2羅建武。偏磁的起因和消除方法1.電工技術(shù)學(xué)報，1999.6 3張黎。種具備軟開關(guān)功能的防單向偏磁電路1.

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　　許峰1969，男哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器教研室副教授，在職博士生。主要研究方向高頻軟開關(guān)直直變換器，電器電磁機構(gòu)理論及其應(yīng)用。

　　徐殿國1960，男，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院院長教授。博士生導(dǎo)師。主要研宄方向電力電子與電力傳動，智能控制理論與應(yīng)用，步進(jìn)電動機伺服系統(tǒng)，