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单级桥式PFC电路功率变压器偏磁的产生机理分析

2016-03-09 04:31:10中国电网招标网

  单级桥式PFC电路功率变压器偏磁的产生机理分析贲洪奇,金祖敏,王风平(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001,E-maiUmihqhit.edu.cn)开关、输出电压调节和电气隔离。但由于电路特殊的控制方式和所要实现的功率因数校正功能,该校正电路中的功率变压器除存在普通全桥变换器产生偏磁的原因外,还存在产生偏磁的特殊因素。本文在分析变换器的电路结构和工作原理之后,对偏磁的产生机理进行了分析,指出了该变换器影响偏磁大小的各种因素,并给出中解决措施,可有效抑制偏磁的产生,最后的仿真和,为4个桥臂的制信号时序图。S为UC3854的输出信号,当S为高电平时,S1、S2或者S3、S4导通,当S为低电平时,S1、S4或者S2、S3导通。电路的入端电感可以看作Boost电感,当桥臂直通时,相当于Boost电路的开关开通,入端电网电压对电感进行充电,电感中的电流上升,储能增加,当桥对臂开通时,相当于Boost电路中开关断开,输出;对负载放电,。魅/o、T分别为电网的频率和周期;输出电压为U;主变压器的变比为n;控制电路输出脉冲的周期(开关周期)为Ts,电感电流il如所不,在半个工频周期内,iL共有k= 2个开关周期,其开关序列用表示,各个周期的起始时间则设在时间内的电感电流增量为AiL,有在t+DTs时刻的电感电流由下式表示:而在t+时刻的电流表示为匕iL 2变换器偏磁的产生机理分析bookmark3 21普通全桥变换器的偏磁现象bookmark4假设该变换器的功率因数很高,输入电流接近正弦波,于是近似有在全桥变换拓扑中,加在主变压器上一般都应该是正负对称的脉冲信号,但是在实际应用中很难满足正负完全对称的条件,有各种各样的因素使加在变压器原边绕组上的电压波形正、负幅值不等或者正、负脉宽不等4.即原边绕组在正、反两个方向激励时,相应的伏秒面积(V-s)不相等,这就产生了偏磁。

  当偏磁严重到一定程度,磁芯工作将进入单向饱和区,此时铁芯导磁率将急剧下降,造成单向磁化电流急剧增加,回路电流瞬间上升,最终导致功率器件烧毁,使电路无法正常工作。

  根据以上各式,可以得出占空比的表达式式a)所示的占空比表达式可进一步简化为22桥式PFC电路占空比的变换规律bookmark5由于中的变换器可以等效为单端Boost电路,为了分析方便,占空比的推导采用单相Boost型电路的形式。由于在每半个工频周期的过0处,其输入电压的瞬时值很低,导致入端电感电流产生交越失真,在过0点后的一个电角度之内,电路的占空比为1,电感电流也不是按正弦规律变化,但由于该角度很小,对偏磁产生机理分析的影响不大,故可以忽略。

  19设输入Mil:23偏磁产生机理分析bookmark6假设全桥电路工作在理想状态,即忽略普通全桥变换器中造成偏磁的各种因素。通过对的控制信号时序图的分析可知,在高频变压器原边所加的电压为正、负脉冲电压,变压器的磁感应强度也是按相同频率周期变化,因为副边的电压钳位,该方波的幅值相同,如果正负向电压脉冲的宽度再相等,则变压器的磁感应强度正负对称,没有偏磁产生,但是所示的功率因数校正电路的占空比为式(2)所示的形式,变压器的方波信号正负宽度并不相等,由此可知,该电路有产生偏磁的可能性。

  设Bp为磁感应强度正的最大值,Bq为磁感应强度负的最大值,其方波的幅值为nUc,变压器原边匝数为,变压器原边磁路等效面积为3个开关周期变压器磁感应强度总的偏磁量根据式(3),可以求出在1/4工频周期内(0很如所示,假设半个工频周期内,第个开关周期,变压器原边所加电压为正脉冲,即S3,S2导通,则小可以忽略)变压器磁芯的磁感应强度总的正偏磁量由以上三式及式(2)的占空比表达式可得在式(2)所示的占空比表达,当wt= 0+:/2+nn时D有最小值,而且在范围内,则是单调递增。由此从式(3)、(4)可以看出,变压器正向磁感应强度Bp在w属于内,则是Bp越S4,S1导通,则磁感应强度变化正好与以上分析d般的PFC电路,开关频率都很高,为了减小电感的体积,入端电感取值也较小。所以linWUn从看出,总的偏磁量主要和输入电压峰值、开关频率、变压器原边匝数及磁芯截面积有关。

  如果有以下。该信号经移相电路,就能得到按所示时序关系变化的、4个MOS管的驱动信号。因为控制信号的占空比按正弦规律变化,所以就会产生上文所分析的偏磁现象。中的(c)和(d)是加隔直电容后占空比分别为82%、35%的变压器原边电压波形(上面),图中的下面部分则为它们在0点电压处的放大波形。

  (d)变压器原边电压波形放大图变换器仿真波形由于偏磁的存在,加了隔直电容后,加在变压器上的方波电压向上平移。同时由于使用隔直电容来消除偏磁是一个动态平衡的过程,所以方波电压的偏移量会随着偏磁量的大小而变化,从可知,在控制信号的占空比最小的时候,该直流偏移量达到最大值。

  是实验波形,其中(a)是实验电路中UC3854电流误差放大器输出波形(上面),下面是地线。(b)是加隔直电容后变压器原边电压波形在地线(中间)附近的局部放大图,从图中可知,加隔直电容后,变压器原边电压波形由地线往上平移了一段距离。从、6可以看出,仿真和实验有很好的一致性。

  变压器原边电压波形放大实验波形4结论提出的单级全桥软开关功率因数校正电路,在不增加电路复杂程度的前提下,同时实现功率因数校正、软开关、输出电压调节和电气隔离。

  在任何1/4工频周期内(0很小可以忽略)变压器的磁芯都会产生偏磁,虽然在1/2的工频周期内,该偏磁有一定的自平衡能力,但是如果不采取一定措施,将影响电路的正常运行。

  根据实际电路输出功率的大小,只要适当地选择变压器磁芯,合理设计变压器的各种参数,并且采取一定的抑制措施,就会最大程度的减小偏磁对整个PFC电路的影响。

  1. 变压器杂志40年沿革

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