【導讀】在使用逆變變壓器的過程中經常遇到直流不平衡的狀況。逆變電源變壓器的工作效率大幅下降，功耗上升還使得成本增加。本文就簡析了單相全橋SPWM逆變變壓器的直流不平衡問題，同時探討了造成變壓器直流不平衡的原因。
圖為常見的逆變變壓器電路系統
考慮圖1所示的單相全橋SPWM逆變電源系統。一般SPWM被認為是一個理想的調制過程，即橋端電壓滿足：
在上文所提供的SPWM逆變電源變壓器的橋端電壓計算公式中，參數Ed指的是直流側母線電壓，參數Vs為橋端輸出電壓中的基波幅值，參數Vcm為正弦調制波峰值，參數V△m代表的是三角載波幅值，參數Kc代表的是調制系數，且該值小于等于1。在上圖所提供的逆變變壓器基礎電路圖中，我們可以看到，T為輸出變壓器。該變壓器的設計除需考慮高次諧波的影響外，與一般基頻變壓器的設計相差不大，只是磁密選得略低，但仍在磁化曲線的拐點處。因此在一種理想的情況下，該變壓器工作在對稱的磁滯回線下，施加在其初級上的正、負電壓在每個基波周期內保持“伏秒”數相等。
然而這種逆變變壓器的電路系統中，有一個很明顯的問題需要我們特別注意，那就是只要橋端輸出電壓Vs——SPWM脈沖列在任何一段基波周期時間內與橫坐標所圍成面積的總和不為零，那么這一變壓器的輸入電壓中就會出現直流分量，引起單向偏磁，也就是我們經常說的直流不平衡。在系統正常運行的情況下，一定程度的直流不平衡就會造成變壓器磁芯單向飽和，勵磁電流急增，進而惡化系統的動態性能，并威脅到半導體開關管的安全運行。在目前的運行過程中，導致逆變變壓器系統中出現直流不平衡情況的因素，通常有以下幾種。
控制系統引起的直流分量過大，導致逆變變壓器直流不平衡狀態的出現。由上文中的公式可見，理想狀態下的SPWM逆變橋可看成一個增益為K（K=Ed/V△m）的比例環節。在該狀態下，控制系統的電源電壓或元件參數漂移會造成三角載波或正弦調制波正、負半周不對稱，作SPWM調制后，將導致同一橋臂上、下兩個開關管在基波周期內的有效導通時間不等。因此，SPWM逆變橋端輸出電壓脈沖列Vs的正、負伏秒數不等，其直流分量是載波或調制波中的直流成分的K倍。這種直流分量一般是持續的，其大小和極性也基本不變，可稱為靜態不平衡。
若逆變電源的控制系統采用了輸出瞬時值反饋等波形校正技術，那么在動態調節過程中，調制波Vc就非常容易出現正、負半周面積不等的情況，并進一步產生動態不平衡，一般持續幾個到十幾個基波周期。另外，對于整流類沖擊性負載的投入，系統可采用瞬時封鎖驅動脈沖的限流保護措施。由于被封鎖驅動脈沖在基波周期內所處位置的隨機性，也會造成變壓器動態不平衡。
還有一種問題也同樣會造成逆變電源變壓器的直流不平衡狀態，那就是脈沖分配及死區形成電路引起的直流分量過大。逆變電源的控制系統所產生的SPWM信號，需經過脈沖分配及死區形成電路分相、設置死區，再經驅動電路隔離、放大后驅動開關管。在這一過程中，元件參數的分散性會引起死區時間不等，即各管每次導通時間中的損失不一致，從而導致變壓器輸入電壓Vs中包含直流分量。而主電路引起的直流分量也同樣會造成直流不平衡，由于主電路同一橋臂上、下兩個開關器件的開通、關斷時間不等，飽和壓降不同，緩沖電路參數有差異，因此變壓器輸入電壓中也會產生直流分量。
在上面所羅列出的三種導致逆變變壓器直流不平衡的原因中，第一種因素的可能性和實際影響其實是最大。因為在逆變電源的控制系統中，存在調制信號發生及調節電路，易混入直流分量，且被逆變橋放大。而在后兩種因素中，電路處理的是SPWM開關信號，只要設計合理，匹配恰當，造成的影響也相對較小一些。
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