中心論題：

• 高頻變壓器偏磁機(jī)理
• 偏磁抑制措施比較
• SPWM直流偏磁抑制原理及方法

解決方案：

• 檢測(cè)出直流電壓和電流并通過(guò)恰當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行校正
• 以逆變橋各橋臂與中點(diǎn)直流電壓及變壓器原邊的直流電流作為反饋量

相對(duì)半橋逆變器而言，SPWM全橋逆變器的開(kāi)關(guān)電流減小了一半，因而在大功率場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。在SPWM全橋逆變器中，為實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間的電氣隔離和得到合適的輸出電壓幅值，一般在輸出端接有交流變壓器。在SPWM控制的全橋逆變器中，因各種不可預(yù)見(jiàn)的因素，會(huì)導(dǎo)致輸出變壓器存在直流分量，引起單向偏磁現(xiàn)象。偏磁可以說(shuō)是SPWM全橋逆變器中的一種通病，只是在不同的場(chǎng)合嚴(yán)重程度不同而已。變壓器的偏磁，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，變壓器機(jī)械噪音大（變換器開(kāi)關(guān)頻率或調(diào)制頻率在音頻范圍內(nèi)時(shí)），嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞功率模塊，直接威脅到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

為了防止或減少變壓器中的直流分量，本文以逆變橋各橋臂與中點(diǎn)直流電壓及變壓器原邊的直流電流作為反饋量來(lái)抑制直流偏磁。采用這種方法設(shè)計(jì)的電路，經(jīng)在10kHz/15kW的全橋逆變電源中應(yīng)用，證明該電路有效、實(shí)用。

高頻變壓器偏磁機(jī)理
偏磁是指加在變壓器兩端的正反向脈沖電壓的伏秒乘積不等，從而造成變壓器磁芯的磁滯工作回線偏離坐標(biāo)原點(diǎn)的現(xiàn)象。工作時(shí)變壓器的磁感應(yīng)強(qiáng)度可表示為：

　　
勵(lì)磁電流Iμ的變化率為：
    

式中，U1為變壓器初級(jí)電壓；Ae為鐵心截面積；N1為初級(jí)繞組匝數(shù)；L0為變壓器鐵芯磁路長(zhǎng)度；μ0為空氣磁導(dǎo)率；μr為變壓器鐵心相對(duì)磁導(dǎo)率。
　　
在SPWM全橋逆變器中，由式(1)可知，若輸出變壓器初級(jí)電壓正負(fù)半周波對(duì)稱，則正負(fù)半周波伏秒積相等，其正反向最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax也相等，鐵芯磁工作點(diǎn)沿著磁滯回線以中心對(duì)稱地往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由圖1所示的變壓器磁芯磁化曲線可見(jiàn)，此時(shí)沒(méi)有偏磁存在。反之,若輸出變壓器初級(jí)電壓正負(fù)半周波不對(duì)稱，正負(fù)半周波伏秒積不相等，則正負(fù)半波磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值也不同，磁工作區(qū)域?qū)⑵虻谝换虻谌笙?，即形成直流偏磁。從而?dǎo)致變壓器鐵芯飽和，偏磁的持續(xù)積累最終會(huì)使鐵芯進(jìn)入深度飽和，磁工作點(diǎn)進(jìn)入非線性區(qū)，鐵心相對(duì)磁導(dǎo)率?滋r迅速減少。由(2)式可知，勵(lì)磁電流I?滋迅速增大，導(dǎo)致變壓器過(guò)熱，最終導(dǎo)致器件毀壞。概括地說(shuō)，逆變橋SPWM波正負(fù)脈沖不對(duì)稱是引發(fā)偏磁的根本原因。
 

造成“伏－秒”面積不等的具體原因有：功率半導(dǎo)體器件(IGBT)開(kāi)關(guān)速度的差異；功率半導(dǎo)體器件(IGBT)通態(tài)壓降的差異；各種信號(hào)傳輸延遲的不同；電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，工藝欠妥。

偏磁抑制措施比較
目前，在各種形式的全橋PWM變換器中，都存在著不同程度的偏磁問(wèn)題。為此，在很多文獻(xiàn)中提到了各種解決方法。一般多采用在變壓器原邊串聯(lián)電容，利用電容特有的隔直特性將原邊中的直流分量濾除。這種方法雖然簡(jiǎn)單但有一定的局限性，因?yàn)樗械脑呺娏鞫家鬟^(guò)隔直電容，使電容的工況相當(dāng)嚴(yán)重，電容的可靠性及壽命將嚴(yán)重地制約變換器的可靠。

此外，一些資料也提出了一些抗直流偏磁的控制方法，如逐脈沖電流檢測(cè)法、電流型PWM控制法、采樣保持法、雙環(huán)控制法等，但它們只適用于DC/AC/DC變換器中的逆變部分，或僅適用于PWM型直流變換器。又如通常采用校正每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的脈寬來(lái)消除偏磁的方法，它應(yīng)用在PWM變換器中，不存在對(duì)輸出波形的影響；但要應(yīng)用在SPWM正弦波逆變器中，由于每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的脈寬本來(lái)就不一樣，采用此方法會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重偏離SPWM模式，產(chǎn)生調(diào)制失真，最終使輸出波形畸變。

SPWM直流偏磁抑制原理及方法
變壓器初級(jí)直流電壓的存在是造成正反方向的伏秒面積不等從而引發(fā)偏磁的根本原因。檢測(cè)出直流電壓和電流并通過(guò)恰當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行校正是抑制偏磁的技術(shù)關(guān)鍵。在SPWM全橋逆變電路中，S1和S2通斷互補(bǔ)，S3和S4通斷互補(bǔ)，逆變橋開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為調(diào)制正弦波與三角載波比較而得到的SPWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，此時(shí)逆變橋一橋臂與0點(diǎn)的電壓Uao為一直流分量Uad和基波分量及一系列諧波分量之和；同樣另一臂與0點(diǎn)的電壓Ubo也為直流分量Ubd和基波分量以及一系列諧波分量之和。變壓器初級(jí)直流電壓Uab=Uad-Ubd。通過(guò)分別修正每一橋臂的輸出電壓可使Uad=0和Ubd=0。所以變壓器初級(jí)繞組中的直流成分也就消除了。
　　
為了使SPWM逆變器獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和較小的諧波畸變率，在引入直流電壓檢測(cè)電路的同時(shí)還引入了直流電流檢測(cè)電路。
　　
通過(guò)霍爾元件檢測(cè)出高頻變壓器初級(jí)直流電流分量與橋臂直流電壓分量Uad或Ubd,同時(shí)送到PI調(diào)節(jié)器(VR)進(jìn)行誤差放大。VR的傳遞函數(shù)為：

截止頻率f=KuRC(R為積分電阻，C為積分電容)。截止頻率增大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度加快，重現(xiàn)輸入信號(hào)的能力強(qiáng)，但系統(tǒng)對(duì)輸入高頻噪音的抑制能力差，故需綜合考慮逆變器的動(dòng)態(tài)性能和輸出電壓的THD要求。
　　
圖2控制框圖中“0”為直流中點(diǎn)，“Wp”用于調(diào)節(jié)中點(diǎn)。LPE為低通濾波器，分別用于檢測(cè)電壓和電流直流分量并送到PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行放大，其輸出信號(hào)作為PWM脈寬調(diào)制器的控制信號(hào)，使輸出的脈寬跟蹤其變化。由此得到的平均值去修正控制電路的參考正弦調(diào)制波，使其對(duì)橫軸對(duì)稱。若逆變橋的輸出正弦波向上偏，通過(guò)修正，使其下偏。最終使各橋臂與中點(diǎn)的直流分壓Uad和Ubd為零，達(dá)到消除直流偏磁的目的。整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程為閉環(huán)動(dòng)態(tài)過(guò)程。

虛線部分的具體電路由兩套完全相同電路組成。低通濾波器采用RC無(wú)源低通濾波器實(shí)現(xiàn)，電容應(yīng)選擇泄漏電流小高頻特性好的CBB類電容，以滿足可以濾除基波及基波以上的交流分量。耐壓應(yīng)大于400V。核心電路采用一片雙端輸出的PWM控制集成電路SG3536構(gòu)成推挽式結(jié)構(gòu)。PI積分放大器積分電容應(yīng)選擇精度高、泄漏電流小的聚丙烯電容以減少積分誤差，輸出偏差電壓采用脈沖變壓器隔離并獲得需要的增益。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文所給出的控制電路應(yīng)用在介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體發(fā)生器所用的10kHz/15kW的全橋逆變電源中，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試輸出變壓器未出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象，同時(shí)其溫度降低了近20℃，總諧波含量也降低了4～5個(gè)百分點(diǎn)。達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求。瞬時(shí)值反饋控制使SPWM逆變器獲得了優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和較小的諧波畸變率。圖3(a)為無(wú)抗偏磁電路電源電壓輸出波形，因變壓器存在直流偏磁導(dǎo)致波形畸變。圖3(b)為有抗偏磁電路電源電壓輸出波形，呈正弦波。

通過(guò)對(duì)逆變橋每一橋臂與中點(diǎn)直流電壓分量和變壓器原邊直流電流分量進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)校正電路處理，將其自動(dòng)跟蹤偏磁量的輸出直流調(diào)整量加入到正弦調(diào)制信號(hào)中，有效地解決了逆變電源直流偏磁。從其原理及實(shí)驗(yàn)證明，此抗偏磁電路應(yīng)用在SPWM全橋逆變電源中，對(duì)各種原因引起的偏磁現(xiàn)象均可有效地進(jìn)行校正。它不僅適用于單相也可應(yīng)用于三相逆變電路中。