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PWM变换器中输出变压器偏磁抑制
PWM变换器中输出变压器偏磁的抑制白 平,张代润(四川大学电气信息学院,四川成都610065)
摘 要:分析了PWM开关型变换器中,变压器直流偏磁问题产生的原因。给出了一种解决直流偏磁较为实用的拓扑电路,并分析了它的工作原理。该电路的有效性在20kHz/2kW的全桥逆变电源中得到了验证。 关键词:变换器;偏磁;脉宽调制
RestrainingMagneticBiasforOutputTransformerofPWMConverterBAIPing,ZHANG Dairun(InstituteofElectricalEngineering,SichuanUniversity,ChengduSichuan610065China)
Abstract:ByanalyzingthecausesofthemagneticbiasinthePWMconverter,anewapproachwasgivenanditsworkingprincipleisanalyzed.Theeffectivenessofthecircuitisprovedinthe20kHz/2kWfullbridgeinverter. Keywords:converter;magneticbias;PWM
0引言 在PWM开关型变换器中,或多或少都存在着变压器直流偏磁问题,只是在不同的场合严重程度不同而已。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,严重时还会损坏功率模块,使其不能正常工作。PWM控制的全桥逆变电源,经常会因各种不可预见的因素,使其两桥端输出电压脉冲列在基波周期内正负伏秒值不相等,从而导致输出变压器中存在直流分量,引起单向偏磁现象,严重威胁到系统的正常运行。为了防止或减少变压器中的直流分量,以逆变桥各桥臂中点电压作为反馈来抑制直流偏磁。本文采用了一种较为简单的电路拓扑来实现,经在20kHz/2kW的全桥逆变电源中应用,证明该电路有效、实用。1高频变压器偏磁机理 根据电磁感应定律,为分析方便,不妨设绕组电阻、漏感、变压器分布电容等都为零。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。因此有 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; 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逆变器中,u1为幅值恒定的脉冲量,因而磁感应强度增量变为 从而磁感应强度增量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。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,磁化曲线不再对原点对称,最终导致变压器铁心磁感应强度饱和,变化如图1(b)所示。由于变压器的原边等效阻抗对直流分量只呈现电阻特性,且原边绕组内阻很小,因此,很小的直流分量就会在绕组中形成很大的直流激磁磁势,该直流磁势与交流磁势一起作用于变压器原边,造成变压器铁心的工作磁化曲线发生偏移,出现关于原点不对称,即所谓的变压器偏磁现象。当偏磁严重时,铁心将进入单向饱和,这时铁心磁导率将急剧下降,原边等效电感迅速减少,激磁电流迅速增大,导致变压器过热,最终导致器件毁坏。
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。 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性。2一种抑制偏磁的简单电路拓扑及其工作原理 如图2所示,在PWM全桥逆变电源输出端,采用通过霍尔电压传感器(HL)隔离的差动高阻积分电路,通过此电路可直接地实时检测桥端输出电压脉冲列uAB的直流分量,图2中积分环节输出电压um波形如图3中所示,为标准的三角波(暂不考虑死区)。其上升时间即为ugs1的脉宽(亦即S1及S2的开通时间),并且以固定的du/dt上升。其下降时间为ugs2的脉宽(即S3及S3的开通时间)。控制电路补偿过程
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