不對稱半橋變壓器偏磁問題分析和解決方法

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現(xiàn)軟開關(guān)等優(yōu)點,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,會令變壓器的勵磁電感減小,從而增加勵磁電流和損耗。

本文詳細分析了不對稱半橋變壓器直流偏磁的產(chǎn)生機理,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)動信號分別驅(qū)動上下兩個開關(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),而是采用兩路互補的驅(qū)動信號分別驅(qū)動開關(guān)管。當(dāng)一個開關(guān)的占空比為D ,則另外一個開關(guān)管占空比為1 - D(忽略死區(qū)時間) 。這樣利用變壓器的漏感或者串聯(lián)諧振電感可以實現(xiàn)兩個開關(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磁電流具有直流分量,而且與兩個開關(guān)管占空比的不對稱度和輸出電流有關(guān)。

圖2為兩個開關(guān)管VT1和VT2的驅(qū)動波形(忽略死區(qū)) 、次級濾波電感的電流波形、兩個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。兩個整流管的電流ID1和ID2 ,也就是兩個變壓器次級的輸出電流,分別在其占空時間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 ,從而勵磁電感Lm 上電流Im 也必然會有直流分量,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的時候Imdc = 0;當(dāng)D等于0和1的時候Imdc達到最大。

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問題。但是氣隙會導(dǎo)致勵磁電流增加,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。

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