專利名稱：抑制變壓器直流磁偏的方法及控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及功率變換領域，特別是涉及需要抑制功率變壓器直流磁偏的系統(tǒng)，以及采用該系統(tǒng)和方法的變換器。
(2)背景技術功率變換電路往往是將特定的輸入電壓波形轉換為指定的輸出電壓波形。在很多應用場合中，需要將輸入的直流電壓轉換為需要的輸出直流電壓，該輸出電壓可以高于或者低于輸入電壓。該類變換器典型的應用就是通訊電源和電腦電源。
當前變換器常常應用的一種全橋電路結構系統(tǒng)(如圖1所示)，它采用四個可控的功率開關元件(Q1~Q4，常常為MOSFET)，一個功率變壓器(T1，通常是隔離變壓器)，輸出整流單元和輸出濾波器(Lf和Co)。當然還有一個控制器用于控制四個可控開關。
全橋變換器工作時，兩個斜對角的開關對依次導通特定的占空比(dutyratio)，就將交流電壓加到了變壓器初級的繞組上。當交流電壓傳遞到變壓器次級，再通過整流單元和輸出濾波器，又將交流電壓變成了需要的直流電壓。當輸入直流電壓變化和輸出電流變化時，控制器監(jiān)視輸出電壓，調節(jié)斜對角的開關對的占空比，調節(jié)了變壓器處理的交流分量有效值的大小，最終實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)。
然而，由于控制系統(tǒng)的偏差，很容易產(chǎn)生伏特-秒(volt-sec)不平衡的現(xiàn)象，其結果就是變壓器需要忍受直流磁偏。伏特-秒(volt-sec)不平衡意味著存在直流電壓分量加在變壓器的鐵芯上。可控開關的控制信號的占空比的差別以及可控開關的導通電壓降不對稱等等因素都會影響伏特-秒(volt-sec)不平衡。數(shù)個開關周期以后，不斷增加的磁通會引起變壓器飽和，最后導致該功率變換器失效。
全橋電路結構系統(tǒng)的輸出整流單元往往會采用常用的全波整流的方式，該整流方式的優(yōu)點是只需要一個輸出電感，而且次級產(chǎn)生的直流分量基本可以忽略。在輸出電流不是非常大時往往應用很廣。
習知技術中，為解決該類全橋電路結構中存在的直流分量問題，常常采用在變壓器初級串聯(lián)隔離直流電容的方法，如圖2所示。圖中Cb為隔離直流電容；變壓器次級的電路在圖中未顯示。它的原理是假如不存在Cb時變壓器初級有直流分量，那么有Cb時，Cb上面就會產(chǎn)生直流電壓，該直流電壓的效果就能抵消初級的直流電流。簡單來看，就是電容上面在穩(wěn)態(tài)時不會有直流的電流，不然電容電壓就會無限升高，所以與其串聯(lián)的變壓器初級也不會有直流分量。該方案的優(yōu)點是特別簡單易行，而且更可靠。但是它的缺點就是如果要保證電路原有的特性，要求Cb上的電壓要盡可能小，這意味著該隔離直流電容的容值要比較大，這增加了電路的復雜程度和系統(tǒng)的成本，而且增加了系統(tǒng)的體積，阻礙了變換器功率密度的提高。當然，在一些應用場合也可以適當減小該電容，不過在某一些場合，該電容會有別的一些負面影響，如在常見的移相全橋電路中，通過分析可以知道該電容上的直流電壓會使電路軟開關條件不一致。在特定的條件下還有可能使系統(tǒng)過熱而損壞。
除了用隔離直流電容去除變壓器初級直流分量的方案以外，還有一種方案在原理上也是可行的。因為直流分量會導致變壓器偏磁而飽和，變壓器飽和的結果是使得初級的電流顯著增大，最后初級的功率開關元件會損壞。所以，有一種方案就是僅僅將變壓器的氣隙加大，這樣變壓器就可以忍受較大的直流電流而不容易飽和，這樣電路中的開關器件也不會因為過流而損壞了。但是該方案中氣隙的引入會減小變壓器的激磁電感，進而增大變壓器中的激磁電流。這會導致變壓器初級的銅損增加，也等效于變壓器初級繞組的交流阻抗增加。最終導致變換器的效率不高?？梢钥吹?，高效率要求小的氣隙，但是小的氣隙會使變壓器更容易飽和。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種抑制變壓器直流磁偏的方法及系統(tǒng)，以及應用該方法和系統(tǒng)的功率變換器，主要用于抑制該變壓器初級電流的直流分量，從而防止變壓器由于直流偏磁而飽和。
根據(jù)本發(fā)明的第一構想，本發(fā)明提供一種抑制變壓器直流磁偏控制器，包含一信號檢測器、一積分器、一合成器、一控制回路的誤差放大器以及一脈寬調變比較器。該信號檢測器，用以檢測變壓器的電流，產(chǎn)生一電流信號。該積分器，電連接該信號檢測器，將該電流信號積分輸出提供一積分信號。該合成器，電連接該積分器與一斜坡補償信號，將該積分信號與該斜坡補償信號合成產(chǎn)生一合成信號。該控制回路的誤差放大器，提供一誤差放大信號。以及，該脈寬調變比較器，電連接該控制回路誤差放大器與該合成器，將該誤差放大號與該合成信號比較輸出產(chǎn)生一脈寬調變信號，利用該脈寬調變信號控制該變壓器的開關導通與截止，抑制變壓器的直流分量。
根據(jù)上述的構想，其中該變壓器的電流是為該變壓器的初級電流。
根據(jù)上述的構想，其中該控制回路是為一電壓控制回路以及電流控制回路二者之一。
根據(jù)上述的構想，其中該斜坡補償信號是為一鋸齒波。
根據(jù)上述的構想，其中該合成器是為一加法器。
根據(jù)上述的構想，該抑制變壓器直流磁偏控制器是應用在一功率變換器。
根據(jù)本發(fā)明的第二構想，本發(fā)明提供一種抑制變壓器直流磁偏控制器，包含一信號檢測器、一積分器、一控制回路的誤差放大器、一合成器以及一脈寬調變比較器。該信號檢測器，用以檢測變壓器的電流。該積分器，電連接該信號檢測器，將該變壓器初級的電流積分輸出提供一積分信號。該控制回路的誤差放大器，提供一誤差放大信號。該合成器，電連接該誤差放大器與一斜坡補償信號，將該誤差放大號與該斜坡補償信號合成產(chǎn)生一合成信號。以及，該脈寬調變比較器，電連接該積分器與該合成器，將該積分信號與該合成信號比較輸出產(chǎn)生一脈寬調變信號，利用該脈寬調變信號控制該變壓器的開關導通與截止，抑制變壓器的直流分量。
根據(jù)上述的構想，其中該變壓器的電流是為該變壓器的初級電流。
根據(jù)上述的構想，其中該控制回路是為一電壓控制回路以及電流控制回路二者之一。
根據(jù)上述的構想，其中該斜坡補償信號是為一鋸齒波。
根據(jù)上述的構想，其中該合成器是為一減法器。
根據(jù)上述的構想，該抑制變壓器直流磁偏控制器是應用在一功率變換器。
根據(jù)本發(fā)明的第三構想，本發(fā)明提供一種抑制變壓器直流磁偏的方法，包含檢測一變壓器的電流，產(chǎn)生一電流信號；將該電流信號積分輸出提供一積分信號；提供一斜坡補償信號將該積分信號與該斜坡補償信號合成產(chǎn)生一合成信號；提供一控制回路的誤差放大信號；以及將該誤差放大號與該合成信號比較輸出產(chǎn)生一脈寬調變信號，利用該脈寬調變信號控制該變壓器的開關導通與截止，抑制變壓器的直流分量。
根據(jù)本發(fā)明的第四構想，本發(fā)明提供一種抑制變壓器直流磁偏的方法，包含檢測一變壓器的電流，產(chǎn)生一電流信號；將該電流信號積分輸出提供一積分信號；提供一控制回路的誤差放大信號；將該誤差放大號與該斜坡補償信號合成產(chǎn)生一合成信號；以及將該積分信號與該合成信號比較輸出產(chǎn)生一脈寬調變信號，利用該脈寬調變信號控制該變壓器的開關導通與截止，抑制變壓器的直流分量。
本發(fā)明得藉由以下列附圖與詳細說明，而可獲得一更深入的了解。
(4)


圖1是為一典型無隔離直流電容的全橋電路示意圖；圖2是為一典型串聯(lián)隔離直流電容的全橋電路示意圖；圖3是為本發(fā)明較佳實施例的直流分量抑制控制方塊圖；圖4是為對應圖3控制方塊圖的無直流分量時該控制各點波形示意圖；圖5用以分析本發(fā)明對直流分量抑制過程的波形示意圖；以及圖6是為本發(fā)明在移相全橋變換器中的應用實例，其中圖6(a)為變換器初級主電路結構，圖6(b)為控制電路的具體實現(xiàn)。
(5)具體實施方式
本發(fā)明的原理是通過瞬態(tài)電流檢測得到對應變壓器初級的直流分量信號，通過快速處理，瞬態(tài)對功率開關元件的占空比進行調節(jié)，從而抑制變壓器初級的直流分量。
本發(fā)明的工作原理分析如下圖3是本發(fā)明較佳實施例的直流分量抑制控制方塊圖。圖中A信號是采樣結果(或部分采樣結果)預處理后的信號。它基本能夠體現(xiàn)變壓器初級電流的正負不對稱。B信號是將A信號積分處理后的結果，它與補償信號C的和(D信號)與傳統(tǒng)電路的控制回路的誤差運算放大器輸出E進行比較，比較器輸出F會決定變換器功率輸出的占空比。由于全橋變換器功率輸出的頻率通常為功率開關元件開關頻率的兩倍，對應一個變換器開關周期內(nèi)的兩次功率輸出，變壓器初級的電流是一正一負的。所以只要調節(jié)在變換器開關周期內(nèi)的兩次功率輸出的占空比，就能夠有效控制初級電流的直流分量。補充說明一下圖中的G信號是積分器的一個重置信號(reset signal)，它使積分器處于積分起始點，該信號是一個窄脈沖信號，可以為兩倍的開關頻率。圖中是將B，C信號的和與E進行比較；其實將E，C信號的差與B比較也是一樣的，將E，B信號的差與C比較也是一樣。
為進一步分析圖3所示的控制抑制直流分量的原理，有必要先看看無直流分量時該控制各點的典型波形，如圖4所示(注圖4僅僅是本控制方塊圖對應的典型波形，實際應用時由于控制上的差異，也存在不同)。圖中ip為變壓器初級的電流波形，這里以移相全橋電路的初級電流波形為例(開關周期T為t0~t4)，正常工作時不希望它有直流分量。波形A，B，C，D，E，F(xiàn)，G分別與圖3所示的信號對應。波形A(實線)是ip波形絕對值的一部分(因為采樣信號可以是電流，可以是完全采樣也可以是部分采樣，波形預處理單元最后會輸出希望的波形)。波形B是積分單元對波形A積分處理的結果，參考重置信號波形G，可以看出波形B總是在特定的時刻被有效的重置，電位降到0(實際應用時也可以是某一特定電位。波形C是鋸齒補償波形，它能使系統(tǒng)在空載時工作穩(wěn)定，實際應用時波形最小值也不一定是0。波形D是波形B和波形C的和(實際應用時可以是加權求和的結果)。波形E是誤差放大器的輸出，往往是功率變換器電壓回路或電流回路對應的誤差放大器。波形F是波形D和波形E比較的結果，它會送到控制電路的其他部分，它的占空比反映了要求的功率輸出的占空比。它在時間上與變壓器初級的電流對應，如t0~t2時間段波形F的占空比實際決定了該時間段輸出功率流的占空比，在圖中t0~t1時間段可以理解為移相全橋電路輸出功率的時間(實際由于常見的占空比丟失現(xiàn)象，輸出功率的時間會略小于該時間段)。
可以看出，在無直流分量時，對稱的波形ip最終產(chǎn)生了相等占空比的波形F，說明該控制理論上能夠正常工作。
但是，在圖1所示的典型應用中，在無隔離直流電容的情況下，由于控制電路的誤差，驅動電路的延時，主功率開關元件的不對稱，初級電流的直流分量問題常常很嚴重，特別是在變壓器激磁電感很小時。在原來的控制電路中加入圖3所示的直流分量抑制控制后，情況就馬上不同了，該控制是根據(jù)實際的電流采樣波形來判斷直流分量的存在，并且將回應的快速性和干擾的強抑制性相結合，能夠非常有效的抑制變壓器初級電流的直流分量。下面結合圖5的波形來分析該發(fā)明對直流分量的抑制過程。
圖5的各波形定義與圖4的波形對應，它反映了變壓器初級存在直流分量時該控制方案是如何起作用的。當波形ip存在直流分量時，圖中體現(xiàn)為波形的正負不對稱。波形A會隨的變化，會反映出ip的電流不對稱，圖中波形在一個開關周期內(nèi)的兩個波頭高低不一樣，那個波頭高對應于此時初級電流在某方向上偏高。圖中很容易看出波形B是對波形A的積分，積分電壓也存在高低不同的情況。在鋸齒波補償電壓波形C不變的情況下，波形B和C的和D也會產(chǎn)生高低起伏的情況。波形D再與誤差放大器的輸出信號E比較，產(chǎn)生功率輸出的占空比，如波形F所示。將波形F與波形A對應起來觀察，同時參考圖4所示的工作狀態(tài)，容易看出，當初級電流一旦出現(xiàn)直流分量，輸出功率的占空比馬上就會自動調節(jié)，那個方向存在直流分量，對應的方向的輸出功率的占空比就會減小，而另一個方向上的占空比會增加，這樣初級的直流分量就得到了快速抑制。補充說明一點，在該控制器實際工作時，圖5所示的波形可能是不存在的，因為波形ip應該和波形F在時間上同步，同步后更能夠表示出該控制的快速性，在半個變換器的開關周期內(nèi)，輸出功率的占空比就能夠根據(jù)初級電流進行調節(jié)。在圖中的所以沒有表示為同步，只是為了便于說明問題，讓波形F的變化趨勢更加容易觀察。
本發(fā)明還有一點獨特的處就是該直流分量抑制控制對于干擾的抑制能力很強，它實現(xiàn)在積分型的控制，舉例來說，若初級電流存在尖峰或毛刺，簡單處理后的波形A也往往會有尖峰，如果不采用積分的方法，即采用A，C波形直接相加的方法，在D波形上也會往往存在干擾，這對于變換器的穩(wěn)定會有一定的影響(以前也有用該類似方式的控制電路。如果為了減小干擾，也可能會采用對信號的濾波，濾波又會帶來延時、有效信號丟失等問題。采用積分控制后，對于干擾就具有較強的抑制能力了。實際工作時ip存在常見的次級二極管反向恢復引起的電流尖峰，該控制電路也能正常工作。
上述就是對該發(fā)明工作原理的分析?？梢钥闯鲈撝绷鞣至恳种瓶刂苹貞俣瓤?，而且具有很強的干擾抑制能力。
本發(fā)明較佳實施例由于前面的介紹還是比較廣泛的介紹，沒有涉及到具體電路。該發(fā)明針對的是一種積分型的直流分量抑制方法，以及采用該控制方案的變換器及系統(tǒng)，其實施例也相當?shù)亩唷?br> 圖6所示是該發(fā)明在移相全橋變換器中的應用實例。其中圖6(a)表示的是變換器初級主電路結構，Q1和Q4超前臂，CT1和CT2是兩個電流傳感器，它們可以采集部分的變壓器初級電流?？刂齐娐返木唧w實現(xiàn)是圖6(b)。左邊部分是超前臂的電流傳感器的具體連接，電流采樣的信號最終在電阻Rs上產(chǎn)生圖4A所示的電壓波形。該電壓與穩(wěn)壓管Z1的電壓的和加在電阻R2上產(chǎn)生電流ia，它流入通用移相控制芯片UC3875的SLOPE端(鏡像電流源輸入端)，UC3875的RAMP腳輸出電流ib和ia相等，ib會在1/2開關周期內(nèi)給電容C1充電，RAMP端的放電尖脈沖的頻率為兩倍開關頻率，該尖脈沖會使C1的電壓很快下降到零，然后重新開始積分。在C1上得到的電壓波形與圖4波形D很相似。若Rs上的電壓為零，C1上的電壓波形就是圖4C所示的波形，所以該實施例和圖4所示的波形基本上對應。
本發(fā)明可應用的實施范圍包含如下一采用圖3所示的控制框圖抑制變壓器直流分量屬于本發(fā)明的范疇，采用該控制方法的變換器以及系統(tǒng)也屬于本發(fā)明范疇。
1.圖3中沒有涉及到對電流的采樣，而實際電流的采樣可以有多種方式，可以實際采樣電流也可以采樣某些地方的電壓來等效處理。
2.圖中的積分器可以是純積分單元，也可以是準積分的形式(如在圖6中C1上并聯(lián)一個電阻后就可以看成準積分的形式)。該積分器的重置脈沖信號可以簡單與變換器的開關頻率有一定關系，也可以采用更復雜的控制方式。重定后的值也可以不為零。
3.圖中的控制回路的誤差運放是屬于傳統(tǒng)的控制電路，它可以屬于電壓回路，也可以屬于電流回路。
4圖中的比較器和求和部分可以有多種變形，如E、C的差再與B比較也是該控制部分的合理變形。另外求和或相減可以采用加權的方式，不一定是1∶1的方式。
5比較器輸出信號會根據(jù)電路的不同送到控制電路的其他部分。
6補償鋸齒波的起點可以是以非零值，其斜率也可以變化，不一定為固定值。從原理上看，該鋸齒波也可以通過某一電壓或電流信號積分而得到，所以該信號也不一定由圖中的該固定位置注入，也可以在信號A上疊加某個信號然后送入積分器而變相得到。
7該圖所示的控制可以是模擬的方式，也可以通過數(shù)字控制的方式得到。
二在橋式電路中采用該控制方法抑制變壓器初級的直流分量屬于本發(fā)明的范疇。例如圖1中表示了該發(fā)明在移相全橋電路中的應用。在推挽電路中采用該控制方案也屬于本發(fā)明的范疇。其他需要對電流中直流分量進行抑制而采用該積分控制方法也屬于本發(fā)明的范疇。
三本發(fā)明可以控制電流的平均值趨近于零，從而抑制直流分量。對于要對電流的平均值精確控制的應用，如只是需要將圖3中的波形預處理單元稍加改動即可。
四本發(fā)明通?？梢灾苯討糜诠β首儞Q領域，特別是需要抑制功率變壓器直流磁偏的系統(tǒng)，以及采用該系統(tǒng)和方法的變換器。但是在其他應用領域應用該方案控制電流平均值也屬于本發(fā)明的范疇。
權利要求
1.一種抑制變壓器直流磁偏控制器，包含一信號檢測器，用以檢測變壓器的電流，產(chǎn)生一電流信號；一積分器，電連接該信號檢測器，使該電流信號積分輸出提供一積分信號；一合成器，電連接該積分器與一斜坡補償信號，將該積分信號與該斜坡補償信號合成產(chǎn)生一合成信號；一控制回路的誤差放大器，提供一誤差放大信號；以及一脈寬調變比較器，電連接該控制回路誤差放大器與該合成器，將該誤差放大號與該合成信號比較輸出產(chǎn)生一脈寬調變信號，利用該脈寬調變信號控制該變壓器的開關導通與截止，抑制變壓器的直流分量。
2.如權利要求1所述的抑制變壓器直流磁偏控制器，其特征在于該變壓器的電流是為該變壓器的初級電流。
3.如權利要求1所述的抑制變壓器直流磁偏控制器，其特征在于該控制回路是為一電壓控制回路以及電流控制回路二者之一。
4.如權利要求1所述的抑制變壓器直流磁偏控制器，其特征在于該斜坡補償信號是為一鋸齒波。
5.如權利要求1所述的抑制變壓器直流磁偏控制器，其特征在于該合成器是為一加法器。
6.如權利要求1所述的抑制變壓器直流磁偏控制器，其特征在于是應用在一功率變換器。
7.一種抑制變壓器直流磁偏控制器，包含一信號檢測器，用以檢測變壓器的電流；一積分器，電連接該信號檢測器，使該變壓器初級的電流積分輸出提供一積分信號；一控制回路的誤差放大器，提供一誤差放大信號；一合成器，電連接該誤差放大器與一斜坡補償信號，使該誤差放大號與該斜坡補償信號合成產(chǎn)生一合成信號；以及一脈寬調變比較器，電連接該積分器與該合成器，將該積分信號與該合成信號比較輸出產(chǎn)生一脈寬調變信號，利用該脈寬調變信號控制該變壓器的開關導通與截止，抑制變壓器的直流分量。
8.如權利要求7所述的抑制變壓器直流磁偏控制器，其特征在于該變壓器的電流是為該變壓器的初級電流；該控制回路是為一電壓控制回路以及電流控制回路二者之一；該斜坡補償信號是為一鋸齒波；該合成器是為一減法器；及/或該抑制變壓器直流磁偏控制器是應用在一功率變換器。
9.一種抑制變壓器直流磁偏的方法，包含檢測一變壓器的電流，產(chǎn)生一電流信號；使該電流信號積分輸出提供一積分信號；提供一斜坡補償信號將該積分信號與該斜坡補償信號合成產(chǎn)生一合成信號；提供一控制回路的誤差放大信號；以及將該誤差放大號與該合成信號比較輸出產(chǎn)生一脈寬調變信號，利用該脈寬調變信號控制該變壓器的開關導通與截止，抑制變壓器的直流分量。
10.一種抑制變壓器直流磁偏的方法，包含檢測一變壓器的電流，產(chǎn)生一電流信號；將該電流信號積分輸出提供一積分信號；提供一控制回路的誤差放大信號；將該誤差放大號與該斜坡補償信號合成產(chǎn)生一合成信號；以及將該積分信號與該合成信號比較輸出產(chǎn)生一脈寬調變信號，利用該脈寬調變信號控制該變壓器的開關導通與截止，抑制變壓器的直流分量。
全文摘要
本發(fā)明提出一種抑制變壓器直流磁偏的方法及系統(tǒng)，以及應用該方法和系統(tǒng)的功率變換器。該功率變換器輸入端是全橋結構，輸出為全波整流單元，能量通過變壓器從輸入側傳遞到輸出側。該發(fā)明主要用于抑制該變壓器初級電流的直流分量，從而防止變壓器由于直流偏磁而飽和。在一個典型的應用中，該系統(tǒng)包括(1)電流采樣單元用于采集變壓器初級的直流分量；(2)與電流采樣單元連接的控制器，它根據(jù)電流采樣調節(jié)主電路功率開關元件的工作，從而抑制變壓器的直流磁偏。
文檔編號H02M7/48GK1592062SQ0315775
公開日2005年3月9日 申請日期2003年8月28日 優(yōu)先權日2003年8月28日
發(fā)明者劉騰, 郭興寬, 應建平, 曾劍鴻 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司