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)稱是引發(fā)偏磁的根本原因。造成SPWM波正負(fù)脈沖不對(duì)稱具體原因有：

　　1）功率半導(dǎo)體模塊（IGBT）開關(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。

　　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。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)開關(guān)（S1，S4）和（S2，S3）分別組成兩個(gè)開關(guān)組。逆變橋開關(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uAO可表示為一直流分量Uad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uB0可表示一直流分量為Ubd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UAB=Uad－Ubd，當(dāng)Uad=Ubd時(shí)，UAB=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uA0，uB0，uC0，使其各自的直流成分均為零，即使每相中Uad、Ubd、Ucd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)，Rp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Uxd（x=1，2，3）。Uxd送到PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行誤差放大，其輸出信號(hào)uc作為脈寬調(diào)制器（PWM）的控制信號(hào)，使其輸出的脈寬跟蹤Uxd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。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Uxd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

　　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400Hz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％。

　　圖5抗偏磁電路對(duì)電源輸出電壓比較

　　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。

　　逆變電源變壓抗偏磁措施

　?。?）盡量選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的鐵磁材料作鐵芯，如0. l mm的硅鋼片壓制而成的鐵心，以提高變壓器對(duì)偏磁的承受能力。

　　（2）使給定的正弦波或三角載波盡量不含直流分量：開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間盡量一致。

　　（3）盡量避免使用半波整流負(fù)載，即使電源帶半波整流負(fù)載，功率也不能很大。

　?。?）變壓器鐵芯間加氣隙。

　　（5）當(dāng)逆變電源輸出功率較小時(shí)，變壓器原邊可以串電容，隔離其直流成分。

　?。?）采用對(duì)變壓器原邊電壓中的直流分量進(jìn)行補(bǔ)償控制來(lái)改善變壓器偏磁飽和的方法。