不對(duì)稱(chēng)半橋變壓器偏磁問(wèn)題分析和解決方法

引　言

不對(duì)稱(chēng)半橋具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便和無(wú)需輔助器件就可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)等優(yōu)點(diǎn),所以在中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合很有優(yōu)勢(shì)。但是這種不對(duì)稱(chēng)的控制方法卻導(dǎo)致變換器中的隔離變壓器勵(lì)磁電流具有直流分量。這就要求變壓器必須有足夠能力承受直流偏磁,通常對(duì)于鐵氧體磁芯要開(kāi)一定的氣隙以防止飽和。但是變壓器開(kāi)氣隙,會(huì)令變壓器的勵(lì)磁電感減小,從而增加勵(lì)磁電流和損耗。

本文詳細(xì)分析了不對(duì)稱(chēng)半橋變壓器直流偏磁的產(chǎn)生機(jī)理,并且探討了兩種解決偏磁問(wèn)題的方法。

1 　不對(duì)稱(chēng)半橋結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)的半橋采用兩路相位相差180°,脈沖寬度相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管。不對(duì)稱(chēng)半橋并沒(méi)有改變傳統(tǒng)半橋的主電路結(jié)構(gòu),而是采用兩路互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)的占空比為D ,則另外一個(gè)開(kāi)關(guān)管占空比為1 - D(忽略死區(qū)時(shí)間) 。這樣利用變壓器的漏感或者串聯(lián)諧振電感可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通。圖1為不對(duì)稱(chēng)半橋的主電路結(jié)構(gòu)。Lr 為諧振電感, Lm為變壓器原邊勵(lì)磁電感,Lf 為輸出濾波電感, T為理想變壓器。

在電流連續(xù)模式下,輸入輸出電壓關(guān)系為:

這里n = ns / np 為次級(jí)繞組和初級(jí)繞組的比值,如果次級(jí)采用平衡繞組,則兩個(gè)次級(jí)繞組和初級(jí)繞組的比值為n1 = n2 = n。從式(1)中可知,當(dāng)占空比D = 0. 5的時(shí)候, Uo 最大。所以通常把D 限制在<0. 5或者> 0. 5。

2 　變壓器直流偏磁機(jī)理分析

對(duì)于對(duì)稱(chēng)半橋,在穩(wěn)態(tài)工作條件下,變壓器是雙向?qū)ΨQ(chēng)磁化的。也就是,勵(lì)磁電流沒(méi)有直流分量。所以,對(duì)稱(chēng)半橋的變壓器無(wú)需開(kāi)氣隙。但是,不對(duì)稱(chēng)控制下的半橋變壓器的勵(lì)磁電流具有直流分量,而且與兩個(gè)開(kāi)關(guān)管占空比的不對(duì)稱(chēng)度和輸出電流有關(guān)。

圖2為兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VT1和VT2的驅(qū)動(dòng)波形(忽略死區(qū)) 、次級(jí)濾波電感的電流波形、兩個(gè)整流二極管的電流波形以及理想變壓器的原邊電流。VT1和VT2的占空比分別為D 和12D。電感電流的平均值為輸出電流Io。兩個(gè)整流管的電流ID1和ID2 ,也就是兩個(gè)變壓器次級(jí)的輸出電流,分別在其占空時(shí)間D和12D中,平均值也為Io。依據(jù)理想變壓器的電流關(guān)系,可以得到理想變壓器原邊電流Ip。從其波形中可以得知, Ip 具有直流分量。而對(duì)于半橋電路,變壓器原邊串了一個(gè)電容Cb。在穩(wěn)態(tài)工作情況下,只有交流電流能通過(guò)Cb ,從而勵(lì)磁電感Lm 上電流Im 也必然會(huì)有直流分量,其值為

從式(2)可以看出, Imdc與Io 和D 有關(guān),當(dāng)D 等于0. 5的時(shí)候Imdc = 0;當(dāng)D等于0和1的時(shí)候Imdc達(dá)到最大。

通常開(kāi)關(guān)電源變壓器多采用鐵氧體磁芯。鐵氧體磁芯雖然磁導(dǎo)率高,但是飽和磁密低,所以承受直流偏磁能力很弱。圖3為鐵氧體磁芯不加氣隙和加氣隙的磁滯回線(xiàn)。

對(duì)于磁化強(qiáng)度:

所以從圖3可以看到不加氣隙的鐵氧體磁芯能承受的直流電流非常小,所以只有采取加氣隙的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。但是氣隙會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流增加,降低了變壓器的利用率,不利于減小變壓器體積和提高效率。

3 　解決方法

(1)不對(duì)稱(chēng)繞組解決偏磁問(wèn)題

對(duì)于對(duì)稱(chēng)繞組的不對(duì)稱(chēng)半橋,只有在D = 0. 5的時(shí)候,變壓器才不會(huì)出現(xiàn)直流偏磁。然而實(shí)際情況中,讓變換器工作在D = 0. 5是不可能的。采用不對(duì)稱(chēng)繞組,也就是兩個(gè)次級(jí)相對(duì)于初級(jí)的變比不同。假設(shè)一個(gè)為n1 ,另外一個(gè)為n2 ,則變壓器勵(lì)磁電流直流分量為:

(2)次級(jí)倍流整流解決偏磁問(wèn)題

除了采用次級(jí)不對(duì)稱(chēng)繞組之外,還可以采用次級(jí)倍流整流的方式來(lái)解決偏磁問(wèn)題。圖4為倍流整流的不對(duì)稱(chēng)半橋主電路。該電流次級(jí)采用兩個(gè)濾波電感L1 和L2 ,比較適合大電流輸出的場(chǎng)合。

對(duì)于次級(jí)倍流整流的不對(duì)稱(chēng)半橋的輸出電壓為:

這里n為變壓器次級(jí)和初級(jí)的匝比。若整流電感L1 和L2 的平均電流分別是IL1和IL2 ,則變壓器次級(jí)輸出電流的平均值為:

而對(duì)于電感L1 和L2 ,兩者的平均電流是根據(jù)其等效串聯(lián)電阻RL1和RL2分配的:

把式(10)代入式(11) ,得到

也就是說(shuō)滿(mǎn)足式(12 )就可以消除變壓器的直流偏磁。

4 　仿真分析

利用仿真軟件saber對(duì)三種電路分別做仿真。輸入電壓為300 V,輸出電壓為15 V,輸出電流為10A。占空比D = 0. 3。圖5為仿真后變壓器原邊勵(lì)磁

電感的電流,分別為:次級(jí)對(duì)稱(chēng)繞組n = 1 /8, Imdc =456 mA;次級(jí)不對(duì)稱(chēng)繞組n1 = 1 /6, n2 = 1 /14 Imdc =28. 5 mA;次級(jí)倍流整流: n = 1 /4, RL1 = 0. 07Ω, RL2= 0. 03Ω, Imdc = 0. 69 mA。

5 　結(jié)　論

傳統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)半橋的變壓器因?yàn)橛兄绷髌?所以變壓器的利用率不高。本文從理論上分析了直流偏磁產(chǎn)生的原因,并且探討了次級(jí)不對(duì)稱(chēng)繞組和次級(jí)倍流整流這兩種方法來(lái)解決偏磁問(wèn)題。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了兩種方法的可行性。