摘要：分析了全橋式逆變弧焊電源中變壓器產生偏磁的原因及危害；闡述了在變壓器一次側串聯電容或設置自動糾偏電路等防止偏磁的原理和方法。

關鍵詞：全橋式逆變電源；變壓器偏磁; 隔直電容器；糾偏

前言

　　弧焊變壓器由于容量較大，其逆變電路大多采用全橋式。在此種逆變器中，變壓器磁芯工作在雙向磁化狀態，磁芯中的磁通以原點為中心在一、三象限交替變化，其磁通能自動復位。也就是說，理想的工作狀態是變壓器的磁通關于原點對稱，磁芯中的磁通維持平衡狀態。然而，由于反饋電路、控制電路、驅動電路以及功率主電路等諸多方面的影響，使得變壓器一次側的正負方波發生差異，從而使變壓器發生偏磁。

　　偏磁會使變壓器的功耗增大、效率降低、溫升增加，最終導致變壓器磁芯飽和而使功率開關損壞，逆變失敗。 因此，在設計和使用中，必須高度重視變壓器的偏磁現象并采取有效的防護措施。

1 偏磁產生的原因

　　全橋式逆變電路見圖1。功率開關管TGBT1、TGBT3和TGBT2,TGBT4在工作周期的前半部分和后半部分交替導通和關斷，如果它們的飽和壓降相等、導通時間相同，則電路的工作狀態是平衡的。換言之，磁通平衡的條件就是加在變壓器一次側正負兩個方向的伏秒面積相等，如圖，2a所示。

　　變壓器一次側的電壓U和磁芯中磁通φ的關系為

　　當電壓U是常數時，磁通φ將隨時間的增長而線性增大。

　　對于圖2a所示的波形，IGBT1和IGBT3導通時，變壓器一次側施加電壓U1磁通從最大的正值+φ線性下降，在1/2on1處過零點，在導通終了時達到負的最大值-φ在橋路均截止的時間里，變壓器一次側施加電壓為零!磁通變化的速率也將為零，亦即磁通將保持-φ不變，直到下半個周期開始IGBT2和IGBT4導通時為止，此時變壓器一次側上施加的電壓U2與U1方向相反，磁通從-φ開始向相反方向變化，在1/2on1處過零點，并在導通終了時達到+φ在電路平衡狀態下，變壓器一次側繞組N1上兩個半周期內施加的伏秒數是相同的，即U1*ton1=U2*ton2磁通自然也是對稱的。

　　由于功率開關管飽和壓降的差異會導致在正負兩個半周期內加在變壓器一次電壓不等，又由于功率開關管存儲時間的不一致、控制電路輸出的脈沖寬度不一致以及反饋回路引起的不對稱等會導致功率開關管的導通脈寬不相等。這些都會形成正負兩個方向伏秒數不等，使功率變換電路工作在不平衡狀態。

　　在圖2b中，U1=U2，ton1>ton2由于在ton1時間里磁通變化的幅度大ton2時間里磁通變化的幅度小，磁通在一個周期終了時不能返回到起始點，于是在一個方向逐漸增大，其工作區域將偏向一個象限，使變壓器磁芯逐步進入飽和狀態，變壓器一次側電感量隨之減至很小，功率開關管的集電極5漏極6電流出現很大的尖峰。功率開關管的過電流使其功耗增大從而溫升增加，其結果是功率開關管的特性更加不平衡，變壓器磁芯更為飽和、產生更大的尖峰電流，這種惡性循環直到功率開關管發生熱擊穿而損壞為止。

2 偏磁的防護

　　為了避免變壓器磁芯由偏磁引起的飽和，可在變壓器的磁路中加足夠的氣隙，改善其磁導率的線性度，甚至于磁密按單向工作狀態選取。但是這些措施都影響變壓器的輸出功率的提高，也就不能體現橋式逆變電路變壓器利用率高的優點，同時也使變壓器的體積和質量都增大。工程上簡單而又實用的防止偏磁的方法，是在變壓器的一次側增加隔直電容器，電路如圖) 所示。利用電容器的隔直性阻斷變壓器的直流分量。

　　如圖4所示，在串聯隔直電容器之前，圖4b中表示出的正負半周伏秒數A1、A2不相等；圖4b中表示出串聯隔直電容后，由于電容器C浮動了直流電平，使得正負半周伏秒積得到了平衡，即A1=A2。

　　串聯的隔直電容器應選用高頻性能好的無極性薄膜電容。該電容和一次側等效電感組成一個串聯諧振回路，其諧振頻率fR可表示為

　　為避免熱損耗造成電容器性能劣化，其等效電阻應盡量小，必要時可多個并聯。具體方法是測試電容器工作時的溫升，一般應控制在幾度以下。采用隔直電容后，可解決變壓器的偏磁問題，使變壓器的工作磁通密度可以像工頻50Hz變壓器那樣工作于接近飽和點、使橋式逆變電路中變壓器輸出功率高、利用率高的特點得以充分發揮。圖5為設置隔直電容前$后實測的電容電壓和電流波形。從圖5b可看到，未加隔直電容器之前變壓器一次電流明顯不平衡且有很大的尖峰；圖5b為加了隔直電容器后的電流波形，其正負半周波形基本對稱。

　最好的防偏磁的方法是設計專門的自動平衡電路，使磁通量強制平衡。此種電路的原理圖如圖6所示。

　　在全橋逆變電路的2個橋臂上分別使用相同的電流互感器，并比較2 個電流的大小。在工作過程中，只要檢測出電流不平衡，即動態調整功率開關管驅動脈沖的寬度，以確保變壓器的工作磁通能夠關于原點對稱。這種電路較之變壓器一次側串聯隔直電容器要復雜一些，生產成本相應高一些，但它糾正偏磁的功能是很強。

3 結論

　　全橋逆變電路的變壓器偏磁問題，在設計過程中要給予足夠的重視，不僅要從控制電路、反饋電路、驅動電路和功率開關器件上充分注意避免不平衡和不一致，還要根據實際需求采用不同的防偏磁技術。

　　參考文獻：

　　[1]黃石生，新型弧焊電源及其智能控制（第1版）[M]。北京：機械工業出版社，2000。

　　[2]李愛文，張承慧。現代逆變技術及其應用（第1版）[M]北京：科學出版社，2000。