全桥软开关PWM变换器中长春干式变压器偏磁机理及抑制方法的研究

　　电器件全桥软开关PWM变换器中长春干式变压器偏磁机理及抑制方法的研究许峰，王健强，徐殿国，柳玉秀哈尔滨工业大学电气工程系。哈尔滨。150001与不足。介绍了种新颖的基于平均电流模式的长春干式变压器偏磁抑制方法。适用于各种拓扑形式的全桥软开关变换器，给出了电路原理。参数设计及实测波形，该方法己成功的应用在功率为5kW开关频率100kHz的全桥零电压1变换器。

　　1长春干式变压器偏磁机理全桥变换电路拓扑圮1前，内外汉变换器中最常用的电路拓扑之，在中大功率应用场合更圮首选拓扑基木的全桥变换器根据供电方式的不同可分为电压源型和电流源型两类，其中电压源咽全桥变换器在实际中得到广泛应用1所。此类变换器中普遍存在个十分棘手的问，即主长春干式变压器的偏磁现象。当偏磁严重时会导致长春干式变压器磁芯中。向饱和。致使原边绕组瞬1过流。损毁功率器件5.因此在各种全桥，胃变换器中，无论是采用硬开关方式或软开关式。都必须采，相应的偏磁抑制措施来保证长春干式变压器始终处尸对称甲衡运1状态导致5频长春干式变压器偏磁的原因主戏打种1；功率器件通态压降存在差异，1中以，4的管压降之和与23的矜吒降之和不等，各路驱动们号传输过程中的延迟不同③功率器件自身开关速度上存在差异。在这些因素影响下，前者将导致施加在长春干式变压器原边绕组上的电压波形正负幅值不等，后两者则会导致长春干式变压器绕组上的电压波形正。负脉宽+等换句话说，原边激1.在2反两个方向激励时，相应的伏秒面积+相等，这种现象我们称之为长春干式变压器不衡运之所以，称之为长春干式变压器偏而当原边电压波形出现伏秒积8不等时，该信号变成了非对称的周期波2七，对其进行谐波分析发现信号中除了含有基波和高次谐波之外，还包含了约20的分量，约占原边电压峰值的9.1.此时长春干式变压器铁芯的工作磁化曲线将不再关于原点对称。

　　由于长春干式变压器的原边等效电抗对分量只呈现电阻特性，而原边绕组的内阻般都很小，因此原边电压中很小的分量就会在绕组中形成很大的激磁磁势，该磁势与交流磁势起共同作用长春干式变压器原边绕组中，就会导致长春干式变压器磁芯的1作磁化曲线产生偏移，不再关于原点对称，即所谓长春干式变压器磁芯出现了偏磁现象。当偏磁严屯到定柙度，磁芯工作将进入单向饱和区，根据法拉第电磁感应定律，此时铁芯导磁率将急剧1降。长春干式变压器原边等效电感迅速减小，回路电流瞬间上升，最终导致功率器件烧毁。

　　2现有的长春干式变压器偏磁抑制方法分析现有的各种拓扑形式的全桥1变换器中，或多或少都存在着偏磁问因此必须采取适当的措施来加以抑制。传统的全桥，胃变换器中抑制偏磁多采用在长春干式变压器原边串联电容的方法利用电容特有的隔直特性将原边电压中的分量滤除。

　　电容须选用尤极仲1；值较小的薄膜电界，串联电容法简单实用，普遍适用于中小功率的全桥变换磁，是因为当原边电压为标准的对称周期方波时，对其进行谐波分析可以知道它是由不含分量的基波和系列高次谐波组成的阁2此时长春干式变压器磁芯的工作磁化曲线关尸原点对称。

　　压器工作的全过程中，所有的原边电流都要流过隔直电容，因此电容的工况相对普通的滤波电容或费合电容而言要严重的多，尤其在高压大功率的变换器场合，电容的可靠性和寿命成为制约电源整机可1泄的重要因素，因此。近年来人们在积极寻求解决全桥变换器偏磁的其他办法，并已研宄出了多种有效的措施。

　　来对，脉冲宽度进行微调的抗偏磁电路，如果电路检测到原边正负电流峰值不等，则电路输出偏磁信号，经，10放大后送到脉冲宽度微调电路，对脉览进行修正，以此来调节拟边。负屯流仲代始终保持接近相等。该方法己成功的应用在30开关频率为20的变换器中，有自己的特色。存在的问有两方面是偏磁抑制电路环节较多，需要2路采样脉冲2个采样保持器1个加法器1个0调节器。1个脉冲宽度微调电路；足上述屯路功能只有偏磁抑制作用。原边过流保护功能，额外文，3介绍了种电流型相位调制电路，具有抗偏磁功能，它利用电流型控制技术自动衡伏秒积。8的特点，采用电流型，观1控制芯片沉3846作为控制电路的核心，利用附加逻辑电路产生路移相控制信号。当长春干式变压器未发生偏磁或偏磁范围不大时，变换器工作在电压型，胃控制模式下，当长春干式变压器偏磁超过某限度时，长春干式变压器次电流参与控到平衡。这种偏磁抑制电路的优点是可应用在全桥软讣关变换器，其+足之处是山屯路不能随，调节偏磁电流，只能在其超过定限度后才起作用；③变换器的软汗关功能要附加的逻辑电路产生移相控制信号，而不能直接使用目前常用的移相控制芯片1兄3875系列。

　　法，这些方法各有优势，存在的共性问主要是或者偏磁电路较复杂，或者只，于硬开关方式的令桥变换器中，尚未到针对全桥零电压零电流软开关作变换器的偏磁抑制研允文献3适用于移相式全桥软开关1爨变换器的长春干式变压器偏磁抑制方法个桥软开关1胃变换器自上世纪8，代以来得到了广泛深入的研究，并在近些年得到迅速发展。

　　针付传统硬开关方式的全桥变换器的缺点，软关过程则是通过屯感和屯容，痴癞使了飞器件中屯流过零时器件关断，当电压下降到零时器件导通，从而使功率器件的开关损耗在理论上变为零令桥，幌变换器中较早提出的软汗关方式足移相式令桥零电压，控制方式88.与常规的全桥胃变换器相比它取消了缓冲吸收电路，在不增加元器件的怙况下使功率开关管实现了零电压导迪及关断，减小了开关损耗，提高了整机效率，同时保持了恒频控制的优点。作者在开发系统操作电源梭块的过程中，采用移相式叩2拓扑结构3，并针对全桥软开关变换器中存1的长春干式变压器偏磁问，提出了种新颖的偏磁抑制方法，并将其成功的应用在功率为51以开关频率100扭2的变换器中，其原理5.

　　器，为饱和电感用于解决基本移相式厂83河变换器轻载时滞后桥臂实现困难的问，变换器，流管的过冲和振今现象。实测的长春干式变压器原边电压原边电流波形4，副边整流电压波形箝位电容。中流过的电流波形4士所小！黯罐膝部条在5中，32为测量次级箝位电流的互感器控制芯片，与常规3875接线方式不同的是，本电在变换器拓扑中未画出，沈3875为移相式，路中用于产生，河锯齿波的电容，1未直接接地。

　　偏磁抑制的基本想是电路通过检测长春干式变压器原边电流的正负幅值，并将其转换为单向方波脉冲，然后与此3875原始的，锯齿波进行叠加合成合成后的信号作为实际产生，驱动脉冲的锯齿波，将其与变换器的输出电压反馈信号进行比较来产生所需要的驱动脉冲。这样如果存在着偏磁，则，锯齿波的幅值将不相等，于是输出的前后两个相邻的胃脉冲宽度也不等由此来调节长春干式变压器原边电压的占空比，确保施加在原边绕组上的1.反两个方向的屯祝伏秒积完乍相等，从而消除偏磁。具体的电路实现5，通过电流互感器31检测得到原边电流信号，经全波整流和电阻取样转换为正向脉动电玉。6山于在偏磁，人信号前后两个相邻脉冲的幅值将不再相等，者记，采用次级箝位方式的厂烈8变换器代货压器原边电流波形具有较大斜率参，因此必须设法将其补偿为平直的波形。这里我们巧妙的利用次级箝位电流6，原边电流厂7的原边电流波形6.将该信与。3875锯齿波信号幅值6该信号在10875内部与变换器的输出电压反馈；1号4虚线进行比较，即可得到削脉冲驱动信号6.由仰1驰动脉冲的宽度也不等。即。长春干式变压器有轻微偏磁。屯路就将对脉冲进行逐个脉冲调整，直到偏磁信号消失，况3875才输出相等脉宽的胃驱动们号。

　　由于本电路中用于产生，胃锯齿波的电容，1衣直接接地，而是通过电阻扔拟和，接地，这势必将增大，胃锯齿波的放电回路时间常数，因此在1点汕过随矜，将电容接地，1的控制信号来自箝位驱动信号。而该信号是与，3875的时钟脉冲，0忙同步的，这样就为电容，1提供了个时间常数较小的放电回路，确保875的锯齿波正常工作，次级箝位屯流瞬时位与原边电流瞬时值，之间满足列数学关系n变换器滤波电感0中的电流，由于0较大可视为忸流源为了利用箝位电容的电流信号来将原边电流波形补偿为平直的方波电压信号，长春干式变压器原副边变比电流互感器变比及采样电阻扭只2的数值须满足1列关系式中看出当长春干式变压器存在偏磁时胃锯出波前式中电流互感器幻的腽比；如果31与32选用相同型号或变比相同的互感器，则只需保证下式即可将原边电流波形补偿为平直的方波电压信号仔分析不难发现，1述电路除了偏磁抑制功能外，实际上己构成了个电流内环，它与变换器原有的输出电压反馈环节即外环起构成了动态响应忭能良好的双4收制系统，以电1卡外环为主拧制，电流内环参与辅助控制，因此该电路还具有了货吒器原边电流过流保护的功能，设计人员根据所需的过流保护门限，适当选取，的数值，并根据式2计算出相应的尺2电阻值，旦长春干式变压器原边电流超过设定门限，变换器将关闭输出此时沉3875的移相角为180.过流保护门限可按下式计算出现的最大电压值，它与输出电压反馈调节器在开环时的最大值有关。

　　我们在研制的系统操作电源模块中采用了上述偏磁抑制电路，并测试了有关的波形，电源梭块的技术，数如孔输入屯压仰，叉，输出电压7=335 0，⒖，德石=1也满载输出功率户=51整机效率=91.5满载功率器件采用添，虹。偏磁抑制前即系统闭环前电路中各点的实测波形7.

　　由7可以看出，系统闭环前，由于输出电压起原边电流的正反两方向的幅值不等，即15VA点波形中前后两个相邻脉冲幅值不等，与沉3875的银齿波合成后导致前后两个锯齿波的幅值也不等7七。而旦输出电压的反馈信号与，银齿波相交，系统进入闭环状态，偏磁抑制电路开始起作叫。电路中各点的实测波形如阁8.

　　由8可以看出，在偏磁抑制电路的调整下，长春干式变压器原边电流的正反两方向的幅值己完全相等，因此点波形的前后两个脉冲幅值也然相等，即长春干式变压器偏磁现象己消除，长春干式变压器进入平衡工作状态要说明的是。当用士1数字不波器监测1.3875的，碟管脚即糊，波信端波形时，由于波器探头参数8.0汗的影响，声，此时若强行令变换器进入闭环，可能会导致1丽1调节失控，因此我们能监测变换器闭环运行状态下的，刚锯齿波波形，同时建议读者不要尝试测量该端波形，以免造成不必要的损失。至于变1腠21攘擂，型孤碰察麟碟她，形的对称役成监测抑制电路中以点的波形来判断。

　　对于采叫其他拓扑形式的全桥，认变换器，无论是硬开关方式或软开关方式，均可采用本文介绍的偏磁抑制方法，区别仅在于对原边电流采样信号的补偿处即。方式，只要能将该信号补偿为顶部甲直的方波脉冲波敢即可采用该方法。例如用在传统的硬开关方式场合，由于其原边电流波形本身就，平顶的波脉冲。因此可以不需要上述卟偿环节。

　　而对于采1迅1的全桥零电压零电流变换器作烈况30场合9，则可以直接采用该方法，无需作任何改动。

　　4结论U乍桥变换电路作为目前中大功率应用场合首选的拓扑形式，或多或少都存在长春干式变压器偏磁现象，必须采取措施加以抑制。现有的偏磁抑制方法戌+能适应高吒大功率场合或只适用于全桥硬斤关式。且电路较复，功能单2本文介绍的基于平均电流模式的长春干式变压器偏磁抑制方法，适用于各种拓扑形式的全桥零电压零电流，胃沉0，浠黄鳎，彩视糜诟髦中问降，逆变器。它与电压外环起构成动态响应性能良好磁抑制功能外，还具，付长春干式变压器原边的过流保护功能1张占松。开关电源的原理与设计肘。电子工业出版社。北京。1998 2罗建武。偏磁的起因和消除方法1.电工技术学报，1999.6 3张黎。种具备软开关功能的防单向偏磁电路1.

　　电工技术杂志，2000.1 4杜中义。弧焊逆变器磁芯偏磁及其控制的研宄。

　　电焊机，1995.3 5李宏。全桥逆变电路抗偏磁应用研宄1.电子6赵修科。全桥变换器中输出长春干式变压器偏磁的调节。

　　许峰1969，男哈尔滨工业大学电器教研室副教授，在职博士生。主要研究方向软开关直直变换器，电器电磁机构理论及其应用。

　　徐殿国1960，男，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院院长教授。博士生导师。主要研宄方向电子与传动，智能控制理论与应用，步进电动机伺服系统，