隔直電容抑制全橋逆變器變壓器偏磁的計(jì)算機(jī)仿真分析

仿真采用的軟件是PSPICE電路分析軟件，pwm芯片采用SG3525，霍爾電流傳感器用一個(gè)電容控制的電壓源模型代替，采樣后反饋到SG3525全橋電路在未加隔直電容情況下（瞬態(tài)分析，采樣時(shí)間1ms，小給定電流80A），仿真結(jié)果如圖2所示。仿真結(jié)果中正負(fù)半波電壓嚴(yán)重不平衡，變壓器發(fā)生偏磁，這種不平衡會(huì)導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁電流增加，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生燒毀。圖3為同樣條件下有隔直電容10nf的情況下，變壓器一次側(cè)電流的波形，正負(fù)半波基本對稱，變壓器偏磁得到抑制。從2個(gè)圖中可以看出在變壓器一次側(cè)加入10nf的隔直電容后，正負(fù)脈沖得到平衡仿真結(jié)果和理論分析相符合，隔直電容的存在確實(shí)對偏磁有一定的抑制作用。如果隔直電容足夠小，就有能力阻擋大部分直流成分的通過，使得變壓器正負(fù)伏秒積得到平衡，瞬態(tài)分析結(jié)果顯示效果相當(dāng)明顯

全橋電路逆變器變壓器一次側(cè)在有隔直電容，小給定電流，隔直電容為100nf時(shí)的瞬態(tài)分析結(jié)果（采樣時(shí)間0-1ms）如圖4所示。

可以看出，在有100nf的隔直電容時(shí)變壓器一次側(cè)的磁心工作狀況比沒有隔直電容時(shí)要改善，但是效果不夠理想，一次側(cè)電壓伏秒積不平衡狀況仍然存在，變壓器還是有被燒毀的可能。因此，在用隔直電容法來防止逆變器變壓器偏磁時(shí)，隔直電容如果過大，抑制偏磁的效果會(huì)受到影響，以上仿真結(jié)果和前面的理論分析相符。

隔直電容對輸出功率影響的電路分析

在忽略變壓器漏感影響的情況下，對全橋主電路變壓器一次側(cè)作等效變換，等效電路如圖5所示。電壓源為540V方波電壓，等效電路是一階電路

逆變過程中隔直電容的初始電壓與IGBT管電壓降相反，所以電壓源對電容充電的過程分為2個(gè)階段，第一個(gè)階段是對反向電壓進(jìn)行放電，由于電場方向和電流方向一致，電場與電荷移動(dòng)方向相同，這個(gè)階段時(shí)間t2極短，可以忽略不計(jì)。第二個(gè)階段就是電壓源對電容進(jìn)行充電過程，這段時(shí)間$.取決于時(shí)間常數(shù)RC，即取決于隔直電容的大小。

隔直電容為10NF時(shí)隔直電容兩端的電壓如圖6所示。當(dāng)逆變頻率為20KHZ、占空比為最大50%時(shí)，逆變脈沖寬度為25μs。從圖中可以看出，當(dāng)隔直電容為10nf時(shí)，平均電壓接近于540V，電容兩端電壓在6μs時(shí)就接近540V，隔直電容為100nf時(shí)，兩端電壓大約經(jīng)過30μs才接近540V，100nf隔直電容兩端平均電壓明顯小于10nf的隔直電容兩端平均電壓。反向?qū)〞r(shí)分為2個(gè)階段，第一個(gè)階段由于沒有電場的影響，正向電荷迅速被電源直流電壓中和，這個(gè)時(shí)間非常短，可以忽略不計(jì)；第二個(gè)階段是電容充電的過程，電壓按指數(shù)規(guī)律增長，直到下一次

反向脈沖的到來。IGBT的ce間電壓μ2=540-μ1。

所以電容越大，IGBT上的平均電壓越大，IGBT和變壓器一次側(cè)串聯(lián)，所以變壓器一次側(cè)線圈的平均電流也越大，輸出功率也就越大。因此在小隔直電容的作用下，由于電容時(shí)間常數(shù)的影響，IGBT的導(dǎo)通時(shí)間比給定的小，從而影響變壓器的輸出功率。

沒有隔直電容的情況下，給定200A電流全橋逆變電路的瞬態(tài)分析（0-0.5ms）如圖7a所示。圖中粗線表示IGBT的驅(qū)動(dòng)電路波形，由于大給定電流，脈寬達(dá)到最大，斜線是輸出電流的瞬態(tài)波形，電流達(dá)幾百安培，變壓器一次側(cè)的脈寬也很大，占空比和驅(qū)動(dòng)電路波形一致，電源輸出功率較大。在加了隔直電容10μ的情況下，大給定電流200A的全橋逆變電路的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果如圖7b所示。粗線條表示的是驅(qū)動(dòng)波形，與圖7a相比，由于隔直電容的存在，變壓器一次側(cè)的占空比比驅(qū)動(dòng)信號占空比小很多，導(dǎo)致二次側(cè)輸出電流也較小，只有20A左右。隔直電容的存在嚴(yán)重影響了輸出功率，這和上面的電路分析計(jì)算的結(jié)果取得了一致。

從圖中可以看出，由于隔直電容的存在，有效脈寬減小了。在有隔直電容的作用下，如果電容的時(shí)間常數(shù)比較小，會(huì)使得IGBT和變壓器一次側(cè)脈沖的幅值和脈寬都減小，變壓器的輸出功率也隨之減小，仿真結(jié)果和理論分析取得了一致。

A.隔直電容對于全橋逆變電路中的變壓器偏磁有一定的抑制作用，電容越小，抑制效果越好。隔直電容對輸出功率有較大影響，隔直電容越小，IGBT的有效導(dǎo)通脈寬越小，輸出功率也越小。

B.采用隔直電容的方法防止逆變電源變壓器偏磁時(shí)，應(yīng)合理選擇隔直電容的參數(shù)，在保證變壓器不出現(xiàn)大的偏磁情況下，提高逆變電源的輸出功率。