抑制單相及三相正弦波逆變器偏磁的有效方法

摘要：分析了SPWM逆變電源中直流偏磁產(chǎn)生的原因，對(duì)目前所采用的抗偏磁方法進(jìn)行了比較，提出了以各橋臂中點(diǎn)電壓作為反饋來(lái)抑制直流偏磁的新方法?？蛇m用于單、三相逆變電源抗偏磁設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：正弦波脈寬調(diào)逆變器；偏磁；抑制

1    引言

    在SPWM開(kāi)關(guān)型變換器中，主變壓器的偏磁可以說(shuō)是一種通病。只是在各種應(yīng)用場(chǎng)合中，表現(xiàn)的程度不同而已。偏磁的后果是十分嚴(yán)重的，輕則會(huì)使變壓器和功率半導(dǎo)體模塊的功耗增加，溫升加劇，變壓器的機(jī)械噪聲增大（當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率或調(diào)制頻率在聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)時(shí)），嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞功率器件，使逆變器不能正常工作。因此，抗偏磁是開(kāi)關(guān)型逆變電源的的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

    本文在比較分析了PWM和SPWM變壓器鐵心的不同磁化過(guò)程的基礎(chǔ)上，提出了SPWM型逆變電源抑制變壓器偏磁的新方法，即以逆變橋各橋臂中點(diǎn)電壓作為反饋來(lái)抑制直流偏磁。并已成功應(yīng)用在400Hz單、三相系列變頻電源中，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和可靠性。

2    變壓器鐵心的磁化過(guò)程及抑制偏磁方法比較

    開(kāi)關(guān)型逆變電源主變壓器鐵心的電磁過(guò)程與普通變壓器一樣均滿足電磁感應(yīng)定律，為方便分析可認(rèn)為繞組電阻，漏感，變壓器分布電容等都等于零。這樣，加到變壓器初級(jí)繞組的電壓u₁和繞組感應(yīng)電勢(shì)相平衡。因此，

    u₁=N₁=N₁Sk_T    （1）

式中：B為鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

      S為鐵心截面積；

      N₁為初級(jí)繞組匝數(shù)；

      k_T為鐵心面積的有效系數(shù)；

      φ為變壓器主磁通。

    由式（1）可得磁感應(yīng)強(qiáng)度

    B(t)=u₁dt＋B_r    （2）

式中：B_r為t=0時(shí)鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

    為分析方便將式（2）寫(xiě)為增量形式并考慮到在PWM和SPWM型逆變器中，u₁為幅值恒定的脈沖量，因而磁感應(yīng)增量變成

    ΔB(t)=    （3）

    從而磁感應(yīng)增量ΔB(t)成為時(shí)間的線性函數(shù)。對(duì)于全橋PWM型逆變電路，正常情況下，變壓器正、反方向的方波“伏－秒”面積相等，鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度與方波脈寬成正比，變化如圖1(a)所示，且磁化曲線對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。而SPWM型逆變電路中各個(gè)脈沖的寬度不一樣，而且隨載波比的變化而變化，ΔB(t)的大小與SPWM脈沖寬度成正比關(guān)系，其電壓波形和鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的波形如圖1(b)所示。此時(shí)，磁化曲線在一基波周期對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。

(a)    PWM型 變 壓 器 鐵 心 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度

(b)    SPWM型 變 壓 器 鐵 心 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度

圖1    變 壓 器 原 邊 電 壓 及 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度

    當(dāng)變壓器原邊含有直流成分時(shí)，PWM型變換電路的正、反方向的方波“伏－秒”面積不再相等，磁通將向某一方向逐漸增加，最終導(dǎo)致變壓器鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度而飽和，磁化曲線將不再對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。在SPWM型變換電路中，當(dāng)含有直流成分時(shí)，將在變壓器鐵心中產(chǎn)生恒定的磁鏈。從而使得變壓器磁通在基波周期將不再是正、反方向相同的正弦波，其范圍將由正常時(shí)的±Δφ_1m變?yōu)椋?Delta;φ_1m＋φ_d～＋Δφ_1m＋φ_d，變壓器磁感應(yīng)強(qiáng)度變動(dòng)范圍也由正常時(shí)的－B_1m～＋B_1m變?yōu)?i>B_d－B_1m～B_d＋B_1m，磁化曲線也將不再對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管損壞^[5]。

    不少科技工作者根據(jù)自己的工程實(shí)踐，提出了一些減小偏磁的辦法，并取得了較好的效果^[1]～[5]。其中有些辦法僅適用PWM型直流變換器^[1]～[3]，可以采用校正每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的脈寬來(lái)消除偏磁，不存在對(duì)輸出波形的影響。而SPWM正弦波逆變器的每個(gè)開(kāi)關(guān)周期脈寬本來(lái)就不相同，采用此方法會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重地偏離SPWM模式，產(chǎn)生調(diào)制失真，最終使輸出波形發(fā)生畸變。對(duì)于SPWM正弦波逆變器，文獻(xiàn)[4]采用電子開(kāi)關(guān)來(lái)模擬同一橋臂上下兩開(kāi)關(guān)管，此方法未考慮到功率開(kāi)關(guān)管的離散性問(wèn)題；文獻(xiàn)[5]在主變壓器初級(jí)串入一個(gè)采樣變壓器，要求該變壓器和主變壓器的工作特性完全一致，如實(shí)反映主變壓器的工作狀態(tài)。由于材料、器件等諸多因素的離散性，實(shí)際中可能存在一定困難。同時(shí)，在上述方法中，有的還要用到電流傳感器，采樣保持器等價(jià)格較高的元器件，這對(duì)于成本較敏感的電力變換裝置將產(chǎn)生不利影響。而且，對(duì)于三相逆變器將使控制電路變得異常復(fù)雜。因此，對(duì)于正弦波逆變器，尋求一種簡(jiǎn)單，有效，單、三相逆變器均適用的抗偏磁方法是很有意義的。

3    正弦波逆變器抑制偏磁的新方法

    概括地說(shuō)，逆變橋SPWM波正負(fù)脈沖不對(duì)稱(chēng)是引發(fā)偏磁的根本原因。造成SPWM波正負(fù)脈沖不對(duì)稱(chēng)具體原因有：

    1）功率半導(dǎo)體模塊（IGBT）開(kāi)關(guān)速度的差異（器件的離散性或非一致性）；

    2）功率半導(dǎo)體器件（IGBT）通態(tài)壓降的差異（同上）；

    3）各種信號(hào)傳輸延遲的不同。 [!--empirenews.page--]

    除此之外，如果電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，工藝欠妥也會(huì)產(chǎn)生偏磁。綜上所述，無(wú)論SPWM控制信號(hào)采用何種方式[正弦波與三角波比較，單片機(jī)，還是專(zhuān)用集成電路（ASIC）]產(chǎn)生，偏磁總是存在的，只是程度有所不同。欲使變壓器工作在理想（或合理）的狀態(tài)，比較好的辦法是使變壓器的磁化曲線正、負(fù)方向?qū)υc(diǎn)O對(duì)稱(chēng)。對(duì)于SPWM工作模式的變頻電源，如果逆變橋中點(diǎn)輸出的SPWM脈沖波（濾波之前）所代表的輸出正弦波的正負(fù)面積相等，則表明輸出波形中不含直流成分，即直流成分為零，變壓器沒(méi)有偏磁；反之，若正負(fù)面積不等，直流成分則不為零。變壓器一次側(cè)直流電壓的存在是造成正、反方向的伏秒面積不等而引發(fā)偏磁的根本原因。如何檢測(cè)出直流電壓并通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行校正是抑制偏磁的技術(shù)關(guān)鍵。

3．1    偏磁消除原理

    正弦波全橋逆變電路主電路如圖2所示，兩橋臂中相交叉對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)（S₁，S₄）和（S₂，S₃）分別組成兩個(gè)開(kāi)關(guān)組。逆變橋開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正弦波與三角波比較而得的SPWM驅(qū)動(dòng)脈沖，所以，逆變橋一橋臂與0點(diǎn)的電壓u_AO可表示為一直流分量U_ad和基波分量以及一系列諧波分量之和；同理，逆變橋另一橋臂與0點(diǎn)的電壓u_B0可表示一直流分量為U_bd和基波分量以及一系列諧波分量之和?？傻米儔浩饕淮蝹?cè)直流電壓U_AB=U_ad－U_bd，當(dāng)U_ad=U_bd時(shí)，U_AB=0。這種巧合是很難發(fā)生的，即便是通過(guò)控制使其差值為零，對(duì)于三相逆變器，很難滿足其他相的差值也為零。如果通過(guò)分別校正每一橋臂的輸出電壓u_A0，u_B0，u_C0，使其各自的直流成分均為零，即使每相中U_ad、U_bd、U_cd為零。那么，輸出變壓器一次側(cè)繞組中的直流成分也就消除了。這就是單、三相正弦波逆變器消除偏磁的統(tǒng)一方法。

圖2    全 橋 逆 變 主 電 路 原 理 圖

3．2    控制框圖

    圖3為SPWM正弦波逆變器中一個(gè)橋臂的抗偏磁電路的控制框圖。I是逆變橋，0為直流中點(diǎn)，R_p為調(diào)節(jié)中點(diǎn)之用。II為低通濾波器，用于檢測(cè)高壓SPWM脈沖序列中的直流分量U_xd(x=1，2，3)。U_xd送到PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行誤差放大，其輸出信號(hào)u_c作為脈寬調(diào)制器（PWM）的控制信號(hào)，使其輸出的脈寬跟蹤U_xd的變化。由此得到的平均值u₀去校正控制電路的參考正弦，使其對(duì)橫軸對(duì)稱(chēng)。如逆變橋臂的輸出正弦波向上偏，通過(guò)調(diào)節(jié)校正，使其向下偏。使各橋臂中點(diǎn)的U_xd為零，從而達(dá)到消除偏磁的目的。整個(gè)過(guò)程是閉環(huán)動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)的。

圖3    偏 磁 抑 制 電 路 的 控 制 框 圖

3．3    電路實(shí)現(xiàn)

    抑制偏磁的硬件實(shí)現(xiàn)如圖4所示。低通濾波器II，采用了RC無(wú)源低通濾波器實(shí)現(xiàn)，其中時(shí)間常數(shù)τ=RC。因?yàn)槭菍?duì)直流中點(diǎn)0濾波，應(yīng)選擇耐壓大于400V，CBB類(lèi)電容即可。核心電路III，IV可用一片雙端輸出PWM控制IC（例如TL494，SG3535，SG3524等）構(gòu)成推挽式結(jié)構(gòu)。脈沖變壓器T用來(lái)隔離和獲得需要的電壓增益。u₀是可調(diào)的，u₀的不同，a點(diǎn)的電位也就不同，送到加法器的電壓也就不同。如無(wú)偏磁，則u₀=0，u₀始終在零附近動(dòng)態(tài)地閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖 4    偏 磁 校 正 電 路  [!--empirenews.page--]

    三相電路應(yīng)用方法與單相全橋完全相同，只是使用了3片集成芯片和3只小脈沖變壓器（Φ26，2K磁罐作磁芯）。在實(shí)際應(yīng)用中將三路控制電路制作在一小塊印制電路板上（但要相互隔離 ） 。 如 是 單 相 正 弦 波 逆 變 電 源 ， 僅 裝 兩 路 即 可 ， 具 有 較 好 的 通 用 性 。

    圖5比 較 了 在400 Hz正 弦 波 逆 變 電 源 中 ， 運(yùn) 用 抗 偏 磁 電 路 和 不 運(yùn) 用 抗 偏 磁 電 路 的 電 源 輸 出 電 壓 波 形 。 該 波 形 由Tektronix公 司 的TDS201示 波 器 采 樣 獲 得 。 從 圖5（a） 可 以 看 出 ， 變 壓 器 出 現(xiàn) 了 偏 磁 導(dǎo) 致 波 形 發(fā) 生 了 畸 變 ， 圖5（b） 為 同 樣 主 電 路 裝 上 抗 偏 磁 電 路 后 的 電 壓 輸 出 波 形 ， 波 形 呈 正 弦 波 ，THD< 3％ 。

（a)    無(wú)抗偏磁電路電源輸出電壓

（b)    有抗偏磁電路電源輸出電壓

圖5    抗偏磁電路對(duì)電源輸出電壓比較

縱軸：50V/格，橫軸：500μs/格

4    結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)對(duì)逆變橋每一橋臂中點(diǎn)直流電壓分量進(jìn)行檢測(cè)，相應(yīng)地在正弦信號(hào)中加入一自動(dòng)可調(diào)的直流調(diào)整量，從而有效地解決了逆變電源直流偏磁問(wèn)題。該方法不僅可用于單相全橋逆變電源，也可用于三相逆變電源，避免了三相電源耦合對(duì)偏磁的影響，不論是何種原因引發(fā)的偏磁（控制電路或主電路），均可有效地進(jìn)行校正，是一種較為實(shí)用的消除偏磁的新方法。該方法從20世紀(jì)90年代初期設(shè)計(jì)成功之后，相繼用于KZD，TAC，ATO，ATT等系列產(chǎn)品中，功率等級(jí)從2kVA到100kVA的單、三相400Hz正弦波逆變電源中。使變壓器的溫升降低約20℃，總諧波含量降低了3～4個(gè)百分點(diǎn)（THD<3％），較好地改善了裝置的電特性。長(zhǎng)期使用表明，該方法具有電路簡(jiǎn)單，效果好，成本低，可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。