高频变压器传递低频电功率技术的研究

成电流回路，无电流流过。变压器处于能量储存阶段。因此，电流i1=t线性增加，直至I1p=ton，变压器磁芯储能也增至（其中L1为绕组N1的电感量）。
当V1随vg1=0而关断时，其等效电路如图7(b)所示。变压器原边，由于V1关断，漏感储能引起较大反压加在V1两端，由于N1的匝数等于N2的匝数，当UN2=U时，V2的体内寄生二极管D2导通,箝位V1上的Uds为2U。N2此时作为复位绕组与D2构成通路，将变压器中的漏感储能回馈到电源U中；变压器副边，绕组N3此时的电压极性为上正下负，N3、V3、Cf、Zl和V4的体内寄生二极管D4形成回路。此时由D4承担高频整流任务，得到一高频直流脉冲，经Cf滤波后，向负载Zl输出低频电功率，完成该单个脉冲内变换器的能量传递。由SPWM调制原理可知，当频率调制比mf=足够大时，可忽略系统相移，在高频滤波电容Cf上，得到输出电压vo=Vosinω1t与vc同频同相。

2.4磁复位技术的要求

在高频变压器原边，当V1或V2接收SPWM脉冲列导通时，由于调制的频率很低，远远小于高频载波的频率，在低频调制信号的正半周或负半周内，施加在变压器绕组上的是同一方向的电压，变压器磁芯中的磁通将级进地逐渐增加，最终导致磁芯饱和，造成偏磁或单向磁化，导致很大的磁化电流而使电路无法正常工作。本文提出逐个脉冲磁复位技术，就是在每个高频脉冲之后及时采取措施，使每一个高频脉冲引起的磁通增加都回复到零，从而避免磁芯饱和。三角形法生成单极性SPWM波如图8所示（以控制信号为低频AC为例）。图中控制信号电压（调制波）vc=Vsinsinω1t（式中：ω1=2πf1，f1为逆变器输出电压要求的基波频率，也为调制频率；Vsin为控制信号电压的峰值），vt为等腰三角形载波电压，Vtri为载波电压的峰值，载波频率为fs，周期为=Ts。则幅度调制比ma=，频率调制比mf=。

当fsf1、mf为偶数，且vc与vt起始相位相等时，vt、vc的波形有如图8所示的关系，以下就这种情况进行讨论。

从时间tn－1到tn是vt的第n个载波周期

tn－1=(n－1)Ts

tn=nTs其顶点=(n－)Ts

故有等腰三角波vt的两段直线方程：当(n－1)Tst(n－)Ts时，

vt1=2Vtrifs[t－(n－1)Ts]当(n－)TstnTs时，

vt2=－2Vtrifs(t－nTs)

设vt1、vt2与vc的交点分别在t=t1和t=t2，则

Vsinsinω1t1=2Vtrifs[t1－(n－1)Ts]（1）

Vsinsinω1t2=－2Vtrifs[t2－nTs]（2）

由式（1）、式（2）可以得到Doff=1－masin（3）Don=masin（4）

图7等效电路图

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高频变压器传递低频电功率技术的研究

图9V1、V2功率管上电压波形

图10V1、V2功率管上电流波形

图11实验输出电压波形

式中：Doff=为断开占空比，toff=t2－t1为断开时间；Don=为接通占空比。
式（4）表明，在幅度调制比ma保持恒定时，SPWM高频脉冲的占空比Don以基波频率（调制频率）且无相位差地按正弦规律变化。欲使磁芯复位，由变压器磁芯的伏秒平衡规律要求有（忽略管压降）[3]VccDonvoDoff(5)

式中：Vcc为加在变压器原边绕组上的输入直流电压；

vo为变压器副边输出电压。

以式（3）、式（4）及vo=Vosinω1t代入式（5）得ma(6)由式（4）知，当sin=1时，该脉冲具有此SPWM脉冲列中最大的占空比Don，若此时Doff满足磁复位要求，则该列SPWM脉冲均满足逐个脉冲磁复位要求。因此，由式(6)知当ma=(7)

时变压器磁芯就可实现逐个脉冲磁复位。 3试验及仿真结果

为验证本电路原理，作了以下仿真和试验：输入直流电压36V；输出交流电压为24V；变压器变比为1:1；低频信号为50Hz正弦波；载波信号15kHz三角波；幅度调制比ma=0.5；功率开关管采用IRF460；开关频率15kHz；输出端高频滤波电容Cf=5μF；负载Zl=200Ω。

图9、图10为PSPICE仿真结果。

此时电路最大占空比为0.5，当V1关断，V2体内的二极管D2开通，与N2形成通路，有电流Id(V2)，完成漏感储能的回馈，并钳位Vds(V1)至2U。在低频正半周单个高电平脉冲加在开关管V1上时，其电流Id(V1)从零电流开始上升，且波形平滑，说明变压器磁芯磁通已回复到零，且激磁电流未达到饱和电流。 按照与仿真相同的参数作实验有图11所示输出电压波形。

4结语

提出了一种新颖的DC/AC功率传输电路拓扑，介绍了它的工作原理，并对高频变压器实现逐个脉冲磁复位的要求进行了数学证明。试验和仿真结果证明这种电路拓扑能较好地完成对低频功率的传递、放大，具有结构简单、体积小、重量轻等优点，可广泛应用于UPS、航空电源、正弦波逆变器、数码线性功率放大器等工程技术领域。