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摘要：分析了全桥式逆变弧焊电源中变压器产生偏磁的原因及危害；阐述了在变压器一次侧串联电容或设置自动纠偏电路等防止偏磁的原理和方法。
关键词：全桥式逆变电源；变压器偏磁; 隔直电容器；纠偏
前言
弧焊变压器由于容量较大，其逆变电路大多采用全桥式。在此种逆变器中，变压器磁芯工作在双向磁化状态，磁芯中的磁通以原点为中心在一、三象限交替变化，其磁通能自动复位。也就是说，理想的工作状态是变压器的磁通关于原点对称，磁芯中的磁通维持平衡状态。然而，由于反馈电路、控制电路、驱动电路以及功率主电路等诸多方面的影响，使得变压器一次侧的正负方波发生差异，从而使变压器发生偏磁。
偏磁会使变压器的功耗增大、效率降低、温升增加，最终导致变压器磁芯饱和而使功率开关损坏，逆变失败。 因此，在设计和使用中，必须高度重视变压器的偏磁现象并采取有效的防护措施。
1 偏磁产生的原因
全桥式逆变电路见图1。功率开关管TGBT1、TGBT3和TGBT2,TGBT4在工作周期的前半部分和后半部分交替导通和关断，如果它们的饱和压降相等、导通时间相同，则电路的工作状态是平衡的。换言之，磁通平衡的条件就是加在变压器一次侧正负两个方向的伏秒面积相等，如图，2a所示。 （图片） （图片） 变压器一次侧的电压U和磁芯中磁通φ的关系为（图片） 当电压U是常数时，磁通φ将随时间的增长而线性增大。
对于图2a所示的波形，IGBT1和IGBT3导通时，变压器一次侧施加电压U1磁通从最大的正值+φ线性下降，在1/2on1处过零点，在导通终了时达到负的最大值-φ在桥路均截止的时间里，变压器一次侧施加电压为零!磁通变化的速率也将为零，亦即磁通将保持-φ不变，直到下半个周期开始IGBT2和IGBT4导通时为止，此时变压器一次侧上施加的电压U2与U1方向相反，磁通从-φ开始向相反方向变化，在1/2on1处过零点，并在导通终了时达到+φ在电路平衡状态下，变压器一次侧绕组N1上两个半周期内施加的伏秒数是相同的，即U1*ton1=U2*ton2磁通自然也是对称的。
由于功率开关管饱和压降的差异会导致在正负两个半周期内加在变压器一次电压不等，又由于功率开关管存储时间的不一致、控制电路输出的脉冲宽度不一致以及反馈回路引起的不对称等会导致功率开关管的导通脉宽不相等。这些都会形成正负两个方向伏秒数不等，使功率变换电路工作在不平衡状态。
在图2b中，U1=U2，ton1>ton2由于在ton1时间里磁通变化的幅度大ton2时间里磁通变化的幅度小，磁通在一个周期终了时不能返回到起始点，于是在一个方向逐渐增大，其工作区域将偏向一个象限，使变压器磁芯逐步进入饱和状态，变压器一次侧电感量随之减至很小，功率开关管的集电极5漏极6电流出现很大的尖峰。功率开关管的过电流使其功耗增大从而温升增加，其结果是功率开关管的特性更加不平衡，变压器磁芯更为饱和、产生更大的尖峰电流，这种恶性循环直到功率开关管发生热击穿而损坏为止。
2 偏磁的防护
为了避免变压器磁芯由偏磁引起的饱和，可在变压器的磁路中加足够的气隙，改善其磁导率的线性度，甚至于磁密按单向工作状态选取。但是这些措施都影响变压器的输出功率的提高，也就不能体现桥式逆变电路变压器利用率高的优点，同时也使变压器的体积和质量都增大。工程上简单而又实用的防止偏磁的方法，是在变压器的一次侧增加隔直电容器，电路如图) 所示。利用电容器的隔直性阻断变压器的直流分量。（图片） 如图4所示，在串联隔直电容器之前，图4b中表示出的正负半周伏秒数A1、A2不相等；图4b中表示出串联隔直电容后，由于电容器C浮动了直流电平，使得正负半周伏秒积得到了平衡，即A1=A2。（图片） 串联的隔直电容器应选用高频性能好的无极性薄膜电容。该电容和一次侧等效电感组成一个串联谐振回路，其谐振频率fR可表示为（图片） 为避免热损耗造成电容器性能劣化，其等效电阻应尽量小，必要时可多个并联。具体方法是测试电容器工作时的温升，一般应控制在几度以下。采用隔直电容后，可解决变压器的偏磁问题，使变压器的工作磁通密度可以像工频50Hz变压器那样工作于接近饱和点、使桥式逆变电路中变压器输出功率高、利用率高的特点得以充分发挥。图5为设置隔直电容前$后实测的电容电压和电流波形。从图5b可看到，未加隔直电容器之前变压器一次电流明显不平衡且有很大的尖峰；图5b为加了隔直电容器后的电流波形，其正负半周波形基本对称。
最好的防偏磁的方法是设计专门的自动平衡电路，使磁通量强制平衡。此种电路的原理图如图6所示。
在全桥逆变电路的2个桥臂上分别使用相同的电流互感器，并比较2 个电流的大小。在工作过程中，只要检测出电流不平衡，即动态调整功率开关管驱动脉冲的宽度，以确保变压器的工作磁通能够关于原点对称。这种电路较之变压器一次侧串联隔直电容器要复杂一些，生产成本相应高一些，但它纠正偏磁的功能是很强。
3 结论
全桥逆变电路的变压器偏磁问题，在设计过程中要给予足够的重视，不仅要从控制电路、反馈电路、驱动电路和功率开关器件上充分注意避免不平衡和不一致，还要根据实际需求采用不同的防偏磁技术。（图片） 参考文献：
[1]黄石生，新型弧焊电源及其智能控制（第1版）[M]。北京：机械工业出版社，2000。
[2]李爱文，张承慧。现代逆变技术及其应用（第1版）[M]北京：科学出版社，2000。
3/23/2008
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