抑制单相及三相正弦波逆变器偏磁的有效方法

摘要：分析了SPWM逆变电源中直流偏磁产生的原因，对目前所采用的抗偏磁方法进行了比较，提出了以各桥臂中点电压作为反馈来抑制直流偏磁的新方法。可适用于单、三相逆变电源抗偏磁设计。

关键词：正弦波脉宽调逆变器；偏磁；抑制

1 引言

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，

u₁=N₁=N₁Sk_T （1）

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；

k_T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

B(t)=u₁dt＋B_r （2）

式中：B_r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

ΔB(t)= （3）

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±Δφ_1m变为－Δφ_1m＋φ_d～＋Δφ_1m＋φ_d，变压器磁感应强度变动范围也由正常时的－B_1m～＋B_1m变为B_d－B_1m～B_d＋B_1m，磁化曲线也将不再对原点对称，导致半导体开关管损坏^[5]。

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^[1]～[5]。其中有些办法仅适用PWM型直流变换器^[1]～[3]，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，文献[4]采用电子开关来模拟同一桥臂上下两开关管，此方法未考虑到功率开关管的离散性问题；文献[5]在主变压器初级串入一个采样变压器，要求该变压器和主变压器的工作特性完全一致，如实反映主变压器的工作状态。由于材料、器件等诸多因素的离散性，实际中可能存在一定困难。同时，在上述方法中，有的还要用到电流传感器，采样保持器等价格较高的元器件，这对于成本较敏感的电力变换装置将产生不利影响。而且，对于三相逆变器将使控制电路变得异常复杂。因此，对于正弦波逆变器，寻求一种简单，有效，单、三相逆变器均适用的抗偏磁方法是很有意义的。

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。