不對稱半橋變壓器直流偏磁的產(chǎn)生原因及如何解決

引言

不對稱半橋具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便和無需輔助器件就可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，所以在中小功率的應(yīng)用場合很有優(yōu)勢。但是這種不對稱的控制方法卻導(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，通常對于鐵氧體磁芯要開一定的氣隙以防止飽和。但是變壓器開氣隙，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)分析了不對稱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題的方法。

1 不對稱半橋結(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)信號分別驅(qū)動(dòng)上下兩個(gè)開關(guān)管。不對稱半橋并沒有改變傳統(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)信號分別驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。當(dāng)一個(gè)開關(guān)的占空比為D ，則另外一個(gè)開關(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)開關(guān)管的零電壓開通。圖1為不對稱半橋的主電路結(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 為次級繞組和初級繞組的比值，如果次級采用平衡繞組，則兩個(gè)次級繞組和初級繞組的比值為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

對于對稱半橋，在穩(wěn)態(tài)工作條件下，變壓器是雙向?qū)ΨQ磁化的。也就是，勵(lì)磁電流沒有直流分量。所以，對稱半橋的變壓器無需開氣隙。但是，不對稱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)開關(guān)管占空比的不對稱度和輸出電流有關(guān)。

圖2為兩個(gè)開關(guān)管VT1和VT2的驅(qū)動(dòng)波形（忽略死區(qū)） 、次級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。

對于磁化強(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解決這個(gè)問題。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）不對稱繞組解決偏磁問題

對于對稱繞組的不對稱半橋，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。采用不對稱繞組，也就是兩個(gè)次級相對于初級的變比不同。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）次級倍流整流解決偏磁問題

除了采用次級不對稱繞組之外，還可以采用次級倍流整流的方式來解決偏磁問題。圖4為倍流整流的不對稱半橋主電路。該電流次級采用兩個(gè)濾波電感L1 和L2 ，比較適合大電流輸出的場合。

對于次級倍流整流的不對稱半橋的輸出電壓為：

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

而對于電感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

也就是說滿足式（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：次級對稱繞組n = 1 /8， Imdc =456 mA;次級不對稱繞組n1 = 1 /6， n2 = 1 /14 Imdc =28. 5 mA;次級倍流整流： n = 1 /4， RL1 = 0. 07Ω， RL2= 0. 03Ω， Imdc = 0. 69 mA。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)不對稱半橋的變壓器因?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，并且探討了次級不對稱繞組和次級倍流整流這兩種方法來解決偏磁問題。最后通過仿真驗(yàn)證了兩種方法的可行性。