3、正弦波逆變器抑制偏磁的新方法

　　概括地說，逆變橋SPWM波正負(fù)脈沖不對稱是引發(fā)偏磁的根本原因。造成SPWM波正負(fù)脈沖不對稱具體原因有：

　　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）各種信號傳輸延遲的不同。

　　除此之外，如果電路設(shè)計不當(dāng)，工藝欠妥也會產(chǎn)生偏磁。綜上所述，無論SPWM控制信號采用何種方式［正弦波與三角波比較，單片機，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cO對稱。對于SPWM工作模式的變頻電源，如果逆變橋中點輸出的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。如何檢測出直流電壓并通過適當(dāng)?shù)碾娐愤M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，兩橋臂中相交叉對應(yīng)開關(guān)（S1，S4）和（S2，S3）分別組成兩個開關(guān)組。逆變橋開關(guān)管的驅(qū)動信號為正弦波與三角波比較而得的SPWM驅(qū)動脈沖，所以，逆變橋一橋臂與0點的電壓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。可得變壓器一次側(cè)直流電壓UAB=Uad－Ubd，當(dāng)Uad=Ubd時，UAB=0。這種巧合是很難發(fā)生的，即便是通過控制使其差值為零，對于三相逆變器，很難滿足其他相的差值也為零。如果通過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橋臂的抗偏磁電路的控制框圖。I是逆變橋，0為直流中點，Rp為調(diào)節(jié)中點之用。II為低通濾波器，用于檢測高壓SPWM脈沖序列中的直流分量Uxd（x=1，2，3）。Uxd送到PI調(diào)節(jié)器進行誤差放大，其輸出信號uc作為脈寬調(diào)制器（PWM）的控制信號，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，使其對橫軸對稱。如逆變橋臂的輸出正弦波向上偏，通過調(diào)節(jié)校正，使其向下偏。使各橋臂中點的Uxd為零，從而達到消除偏磁的目的。整個過程是閉環(huán)動態(tài)實現(xiàn)的。

　　圖3偏磁抑制電路的控制框圖

　　3．3電路實現(xiàn)

　　抑制偏磁的硬件實現(xiàn)如圖4所示。低通濾波器II，采用了RC無源低通濾波器實現(xiàn)，其中時間常數(shù)τ=RC。因為是對直流中點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用來隔離和獲得需要的電壓增益。u0是可調(diào)的，u0的不同，a點的電位也就不同，送到加法器的電壓也就不同。如無偏磁，則u0=0，u0始終在零附近動態(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，運用抗偏磁電路和不運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抗偏磁電路對電源輸出電壓比較

　　4、結(jié)語

　　通過對逆變橋每一橋臂中點直流電壓分量進行檢測，相應(yīng)地在正弦信號中加入一自動可調(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），均可有效地進行校正，是一種較為實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)計成功之后，相繼用于KZD，TAC，ATO，ATT等系列產(chǎn)品中，功率等級從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個百分點（THD《3％），較好地改善了裝置的電特性。長期使用表明，該方法具有電路簡單，效果好，成本低，可靠性高等諸多優(yōu)點，可以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。

　　逆變電源變壓抗偏磁措施

　　（1）盡量選用飽和磁感應(yīng)強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)動信號的死區(qū)時間盡量一致。

　　（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。

　　（4）變壓器鐵芯間加氣隙。

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

　　（6）采用對變壓器原邊電壓中的直流分量進行補償控制來改善變壓器偏磁飽和的方法。