張先進(jìn)，吳 迪

（1.江蘇省風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電工程技術(shù)研究開發(fā)中心 江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.淮海工學(xué)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(yuǎn)以及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，得到了廣泛研究和應(yīng)用[1-2]。利用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)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(fā)展，直流變壓器在新能源發(fā)電系統(tǒng)中也越來越吸引人們的關(guān)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(jīng)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(dǎo)體器件的功耗增加、溫升上升和機(jī)械噪聲變大等問題，限制磁芯的利用率，降低電源性能，嚴(yán)重時(shí)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(yīng)用于直流變壓器。

本文在結(jié)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(bǔ)驅(qū)動(dòng)抑制偏磁閉環(huán)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(chǎn)生的機(jī)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(gè)方向伏秒積不相等引起的[12]。當(dāng)變壓器一次側(cè)受到電壓u作用時(shí)，側(cè)磁鏈為：

如圖1所示，設(shè)e+和e-分別是作用在變壓器原邊正、負(fù)方波電壓幅值、ton+和ton-分別是作用時(shí)間，則變壓器正負(fù)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(shí)，變壓器磁化電流波形正負(fù)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(chǎn)生偏磁現(xiàn)象，變壓器原邊電流不對稱，其平均值也不為零。

當(dāng)變壓器偏磁嚴(yán)重時(shí)，磁芯將進(jìn)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(dá)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(xiàn)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(fù)兩個(gè)方向大小不相等；

（2）作用在變壓器繞原邊組上正負(fù)兩個(gè)方向的電壓時(shí)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(shí)間同時(shí)都不相等。

由于功率器件特性（如導(dǎo)通壓降、開通/關(guān)斷時(shí)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(huán)境（如負(fù)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(lián)隔直電容。因?yàn)槌跫夒娏魍ㄟ^隔直電容，所以在高頻大功率時(shí)，損耗大；高頻大電流電容的體積和重量也大，價(jià)格也高。

（2）變壓器開氣隙。氣隙可以降低鐵芯導(dǎo)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(fù)電流峰值等，但是這些方法實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜）來改變作用在變壓器原邊脈沖電壓的寬度，達(dá)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(diǎn)（特別是最大占空比工作），這些方法不能直接應(yīng)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(bǔ)驅(qū)動(dòng)控制方法，即能使全橋直流變壓器工作在最大占空比狀態(tài)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(gòu)成

全橋直流變壓器電路如圖2所示，由4個(gè)開關(guān)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(guān)管以接近0.5最大占空比工作。在開關(guān)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(guān)系為[6]：

其中Ts為開關(guān)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(xiàn)偏磁現(xiàn)象。為滿足每只開關(guān)管都盡可能工作在最大占空比狀態(tài)下，結(jié)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(fù)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(shí)現(xiàn)變壓器無偏磁時(shí)占空比最大，即接近0.5；引入?yún)⒖贾禐榱愕腜I調(diào)節(jié)器A2，其輸出和直流偏置電壓共同微調(diào)開關(guān)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(diào)節(jié)器A2反向輸入端，A2同向輸入端接地。PI調(diào)解器A2輸出與偏置電壓Uref進(jìn)行運(yùn)算，再通過比較器COM得到S1～S4驅(qū)動(dòng)信號。當(dāng)高頻變壓器發(fā)生正向偏磁時(shí)，通過比較器COM增加S1、S4導(dǎo)通時(shí)間和減少開關(guān)管S2、S3導(dǎo)通時(shí)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(dǎo)通時(shí)間和增加S2、S3導(dǎo)通時(shí)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(shù)具體工作過程如下：

（1）變壓器沒有發(fā)生偏磁（iL平均值等于零）時(shí)，LPF輸出為零，PI調(diào)節(jié)器輸出也近似為零；在偏置電壓Uref=Upeak/ 2下，開關(guān)管S1～S4導(dǎo)通時(shí)間維持不變，占空比近似為0.5。

（2）變壓器發(fā)生負(fù)向偏磁（iL平均值小于零）時(shí)，LPF輸出大于零，PI調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)高頻變壓器磁平衡。

（3）變壓器發(fā)生正向偏磁（iL平均值大于零）時(shí)，LPF輸出小于零，PI調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)高頻變壓器磁平衡。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

主要參數(shù)：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(guān)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(shí)驗(yàn)波形中，CH4為變壓器原邊電流，CH1/CH2為S1和S2驅(qū)動(dòng)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(guān)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(shí)實(shí)驗(yàn)波形；圖5給出Uin=296.60 V、Uo=24.88 V和Io=31 A時(shí)實(shí)驗(yàn)波形。

圖4 輕微偏磁實(shí)驗(yàn)波形

圖5 較重偏磁實(shí)驗(yàn)波形

從圖4和圖5中變壓器原邊電流iL以及實(shí)驗(yàn)條件可以看出：隨著輸出負(fù)載的增加，變壓器原邊電流正負(fù)兩個(gè)方向波形不對稱程度加大，高頻變壓器偏磁問題越來越嚴(yán)重。如果不引入偏磁抑制，隨著負(fù)載的進(jìn)一步增加，高頻變壓器必將出現(xiàn)飽和問題。

3.2 加偏磁抑制

采用圖3的方法進(jìn)行抑制偏磁實(shí)驗(yàn)。這時(shí)占空比將由偏置電壓Uref和PI調(diào)節(jié)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(shí)驗(yàn)波形。

對比圖4、圖5和圖6及實(shí)驗(yàn)條件，從變壓器原邊電流iL可以看出：引入偏磁校正技術(shù)后，雖然負(fù)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(xiàn)偏磁現(xiàn)象；同時(shí)，也可以看出占空比仍然保持最大值?？梢?，圖3偏磁校正技術(shù)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(guān)管工作在最大占空比狀態(tài)的需求。

圖6 帶抑制偏磁實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié) 論

隨著直流分布式供電系統(tǒng)的發(fā)展，直流變壓器得到了越來越多的應(yīng)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(chǎn)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(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)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。