一種全橋直流變壓器抑制偏磁方法研究

張先進，吳 迪

（1.江蘇省風光互補發電工程技術研究開發中心 江蘇工程職業技術學院，江蘇 南通 226007；2.淮海工學院，江蘇 連云港 222005）

0 引 言

直流輸電具有輸送功率容量大、損耗小、輸送距離遠以及穩定性好等特點，得到了廣泛研究和應用[1-2]。利用電力電子技術實現輸電系統中的電壓變換和能量傳遞的直流變壓器，非常適合于直流輸電。隨著分布式直流供電的發展，直流變壓器在新能源發電系統中也越來越吸引人們的關注[3-6]。

在功率變換器中，高頻功率變壓器起著電壓、電流變換、功率傳輸和電氣隔離等作用，經常會因各種因素引起高頻變壓器工作在不完全對稱的情況下，易引起高頻變壓器中存在偏磁問題。偏磁輕則會引起變壓器和功率半導體器件的功耗增加、溫升上升和機械噪聲變大等問題，限制磁芯的利用率，降低電源性能，嚴重時則會損壞功率器件[7-11]。雖然直流變壓器也是一種直流功率變換器，但是在直流功率變換器中常用的幾種抑制偏磁方法[7-11]通常無法直接應用于直流變壓器。

本文在結合已有抑制偏磁方法和全橋直流變壓器特性上，研究一種帶偏置電壓的互補驅動抑制偏磁閉環控制方法，既符合直流變壓器特性，又能解決全橋直流變壓器中的偏磁問題。

1 產生的機理和常用抑制偏磁方法

變壓器偏磁主要是由作用在變壓器原邊上電壓正反兩個方向伏秒積不相等引起的[12]。當變壓器一次側受到電壓u作用時，側磁鏈為：

如圖1所示，設e+和e-分別是作用在變壓器原邊正、負方波電壓幅值、ton+和ton-分別是作用時間，則變壓器正負半周磁鏈變化量分別為：

圖1 功率變壓器模型

如 果 e+=e-、ton+=ton-， 則 |ΔΨ+|=|ΔΨ-|， 即 伏 秒 積相等。此時，變壓器磁化電流波形正負對稱，變壓器原邊電流也對稱，即變壓器無偏磁；如果e+≠e-或者ton+≠ ton-，由式（2）和式（3）可知，|ΔΨ+|≠ |ΔΨ-|，即變壓器伏秒積不等，產生偏磁現象，變壓器原邊電流不對稱，其平均值也不為零。

當變壓器偏磁嚴重時，磁芯將進入單方向深度飽和，造成單向磁化電流劇增。通常，在磁芯沒有達到新的平衡前，功率管有可能因過流而損壞。所以，要抑制高頻變壓器偏磁，避免出現飽和。

造成變壓器偏磁的主要原因，通常有[7-11]：

（1）作用在變壓器原邊繞組上電壓正負兩個方向大小不相等；

（2）作用在變壓器繞原邊組上正負兩個方向的電壓時間不相等；

（3）電壓瞬間變化，造成作用在變壓器原邊上的電壓和時間同時都不相等。

由于功率器件特性（如導通壓降、開通/關斷時間等）差異，在雙極性類型變換器（如推挽、全橋、半橋等）中，偏磁總是存在，且隨著外部環境（如負載的變化、溫升等）的變化而變化[7-8]。

抑制變壓器的偏磁常有以下幾種方法[7-11]：

（1）變壓器原邊串聯隔直電容。因為初級電流通過隔直電容，所以在高頻大功率時，損耗大；高頻大電流電容的體積和重量也大，價格也高。

（2）變壓器開氣隙。氣隙可以降低鐵芯導磁率，提高抗偏磁能力，但會帶來額外損耗。

（3）偏磁控制電路。檢測變壓器偏磁量（如測量變壓器原邊伏秒積或正負電流峰值等，但是這些方法實現比較復雜）來改變作用在變壓器原邊脈沖電壓的寬度，達到減少或消除偏磁。

直流變壓器也可以采用上述方法，但是為了提高效率、降低電路成本，并考慮到直流變壓器特點（特別是最大占空比工作），這些方法不能直接應用于直流變壓器。本文研究一種引入直流偏置電壓和取變壓器原邊電流平均值的互補驅動控制方法，即能使全橋直流變壓器工作在最大占空比狀態下，又能抑制高頻變壓器偏磁。

2 全橋直流變壓器偏磁抑制

2.1 電路構成

全橋直流變壓器電路如圖2所示，由4個開關管（S1、S2、S3、S4）、原邊電感L（包括變壓器漏感）、高頻變壓器T、整流二極管（D1、D2、D3、D4）和輸出濾波電容（C）組成。其中，每只開關管以接近0.5最大占空比工作。在開關頻率足夠高、無偏磁等條件下，直流變壓器輸入電壓Uin和輸出電壓Uout關系為[6]：

其中Ts為開關周期，n為原、副邊匝比，io輸出電流。

圖2 全橋直流變壓器

2.2 抑制偏磁方法

在最大占空比控制之下，無法保證高頻變壓器不出現偏磁現象。為滿足每只開關管都盡可能工作在最大占空比狀態下，結合已有抑制偏磁的控制方法，本文提出如圖3所示的偏磁抑制控制方法。

圖3 抑制偏磁原理圖

圖3 中，MFB LPF是多輸入負反饋低通濾波器[12]，讀取變壓器原邊電流iL平均值；Upeak是載波峰值，直流偏置電壓Uref=Upeak/ 2。引入直流偏置電壓Uref，實現變壓器無偏磁時占空比最大，即接近0.5；引入參考值為零的PI調節器A2，其輸出和直流偏置電壓共同微調開關管S1～S4占空比，從而控制變壓器原邊電流直流分量為零，即抑制高頻變壓器偏磁。

基本控制原理：通過LPF取出高頻變壓器原邊電流iL直流分量，送至PI調節器A2反向輸入端，A2同向輸入端接地。PI調解器A2輸出與偏置電壓Uref進行運算，再通過比較器COM得到S1～S4驅動信號。當高頻變壓器發生正向偏磁時，通過比較器COM增加S1、S4導通時間和減少開關管S2、S3導通時間，使高頻變壓器原邊電流中的直流分量為零；反之，通過減少S1、S4導通時間和增加S2、S3導通時間，高頻變壓器原邊電流中的直流分量為零。

該抑制偏磁控制技術具體工作過程如下：

（1）變壓器沒有發生偏磁（iL平均值等于零）時，LPF輸出為零，PI調節器輸出也近似為零；在偏置電壓Uref=Upeak/ 2下，開關管S1～S4導通時間維持不變，占空比近似為0.5。

（2）變壓器發生負向偏磁（iL平均值小于零）時，LPF輸出大于零，PI調節器輸出小于零，比較器COM同向輸入端電壓小于Uref，那么S2和S3占空比增加，而S1和S4占空比減小，使得變壓器原邊電流中的直流分量為零，實現高頻變壓器磁平衡。

（3）變壓器發生正向偏磁（iL平均值大于零）時，LPF輸出小于零，PI調節器輸出大于零，比較器COM同向輸入端大于Uref，那么S1和S4占空比增加，S2和S3占空比減小，使變壓器原邊電流中的直流分量為零，實現高頻變壓器磁平衡。

3 實驗結果與分析

主要參數：變壓器磁芯EE55、原/副邊匝比n=86:9、漏感為89 μH，輸出濾波電容4 700 μF，開關頻率20 kHz，S1～S4為IRF460，D1～D4為DESI60-02，額定輸入/輸出電壓Uin=Uout為300 V/24 V。MFB LPF截止頻率 1 kHz、C1=C2=10 nF、R1=R2=11 kΩ、R4=22 kΩ、R3=3.6 kΩ、C3=100 nF、R5=R6=22 kΩ。

實驗波形中，CH4為變壓器原邊電流，CH1/CH2為S1和S2驅動信號ugs1和ugs2。

3.1 未加偏磁抑制

將圖3中A2的輸出斷開，占空比僅由偏置電壓Uref控制，每只開關管占空比接近最大，近似為0.5。圖4給出Uin=299.40 V、Uout=26.00 V和輸出電流Io=24 A時實驗波形；圖5給出Uin=296.60 V、Uo=24.88 V和Io=31 A時實驗波形。

圖4 輕微偏磁實驗波形

圖5 較重偏磁實驗波形

從圖4和圖5中變壓器原邊電流iL以及實驗條件可以看出：隨著輸出負載的增加，變壓器原邊電流正負兩個方向波形不對稱程度加大，高頻變壓器偏磁問題越來越嚴重。如果不引入偏磁抑制，隨著負載的進一步增加，高頻變壓器必將出現飽和問題。

3.2 加偏磁抑制

采用圖3的方法進行抑制偏磁實驗。這時占空比將由偏置電壓Uref和PI調節器A2輸出共同控制。圖6給出Uin=298.9 V、Uo=24.0 V和Io=40 A的實驗波形。

對比圖4、圖5和圖6及實驗條件，從變壓器原邊電流iL可以看出：引入偏磁校正技術后，雖然負載增大，但是高頻變壓器原邊電流仍然是對稱的，并沒有出現偏磁現象；同時，也可以看出占空比仍然保持最大值。可見，圖3偏磁校正技術不但能夠很好地抑制高頻變壓器偏磁問題，而且能夠滿足全橋直流變壓器中開關管工作在最大占空比狀態的需求。

圖6 帶抑制偏磁實驗波形

4 結 論

隨著直流分布式供電系統的發展，直流變壓器得到了越來越多的應用。但是，直流變壓器中高頻變壓器偏磁會影響直流變壓器性能。因此，本文簡述高頻變壓器偏磁產生的原因和常用偏磁抑制方法，研究了一種帶偏置電壓的全橋直流變壓器偏磁抑制方法，并進行了分析和實驗驗證。實驗結果表明，該控制方法不但能夠滿足直流變壓器特性，而且能夠有效抑制高頻變壓器偏磁。