跟電源專家陶顯芳學(xué)電源技術(shù)（一）：漏感與分布電容對(duì)輸出波形的影響（上）

國內(nèi)知名電源技術(shù)專家陶顯芳不辭勞苦，在雙節(jié)期間仍堅(jiān)持為各位電源工程師或愛好者排憂解難，寫出一些工程師們非常關(guān)心的技術(shù)問題和常見的電源問題及解決方法。

　　圖1是單激式開關(guān)電源的基本原理圖。圖中，T為開關(guān)變壓器，N1和N2分別為開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈；LS為開關(guān)變壓器的漏感， 為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電感；CS為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的分布電容，RL為開關(guān)變壓器次級(jí)線圈的輸出負(fù)載，Q1為電源開關(guān)管。

　　變壓器初級(jí)線圈或次級(jí)線圈的分布電容Cs可按下式進(jìn)行計(jì)算：

　?。?）

　　式中， 為第 i層與 i+1層線圈之間的靜態(tài)電容，i = 1、2、3、• • •、n ，n為所求總分布電容的變壓器初級(jí)線圈或次級(jí)線圈的層數(shù)； gi為第 i層與 i+1層線圈之間的平均周長； Kui為第i 層與i +1層線圈之間分布電容的動(dòng)態(tài)系數(shù)， ，它與加到電容兩端的電壓有關(guān)， Ku是一個(gè)小于1的系數(shù)；

　　Ui為第i層與 i+1層線圈之間的標(biāo)準(zhǔn)電位差，其值一般等于相鄰兩層線圈工作電壓之和，即Ui=2U/n： ，U為變壓器初級(jí)線圈或次級(jí)線圈兩端的工作電壓；Uai 、Ubi 分別為第 i層與i +1層線圈之間 x = 0和x = h 處對(duì)應(yīng)的電位差；當(dāng)線圈層間按S繞法時(shí)，Uai = 0，Ubi =Ui；當(dāng)線圈層間按Z繞法時(shí)， Uai= Ubi=1/2Ui 。

　　如果不考慮變壓器次級(jí)線圈對(duì)初級(jí)線圈的影響，對(duì)于一個(gè)功率大約為100瓦的開關(guān)變壓器，其初級(jí)線圈的分布電容大約在100~2000微微法之間；如果把次級(jí)線圈的分別電容也考慮進(jìn)去，總的分布電容可能要大一倍左右，因?yàn)槌?、次?jí)線圈分布電容的轉(zhuǎn)換比是平方的關(guān)系。因此，分布電容對(duì)輸出波形的影響是很大的。

　　根據(jù)變壓器的工作原理，圖1中的開關(guān)變壓器還可以等效為圖2所示電路。

　　在圖2中，Ls為漏感，漏感也稱漏磁電感，或稱分布電感；Cs為分布電容（總分布電容）， 為勵(lì)磁電感，R為等效負(fù)載電阻。設(shè)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感為L，則L=Ls+Lu ；而分布電容Cs，則包括次級(jí)線圈等效到初級(jí)線圈一側(cè)的分布電容，即，次級(jí)線圈的分布電容也要等效到初級(jí)線圈回路中；同理，等效負(fù)載電阻R，就是次級(jí)線圈的負(fù)載RL被等效到初級(jí)線圈回路中的電阻。

　　設(shè)次級(jí)線圈的分布電容為C2，等效到初級(jí)線圈后的分布電容為C1，則有下面關(guān)系式：

　?。?）

　　上式中， Wc2為次級(jí)線圈分布電容C2存儲(chǔ)的能量， Wc1為C2等效到初級(jí)線圈后的分布電容C1存儲(chǔ)的能量；U1、U2分別為初、次級(jí)線圈的電壓，U2 = nU1，n = N2/N1為變壓比，N1 、N2分別為初、次級(jí)線圈的匝數(shù)。由此可以求得C1為：

　　（3）

　?。?）和（3）式的計(jì)算方法不但可以用于對(duì)初、次級(jí)線圈分布電容等效電路的換算，同樣可以用于對(duì)初、次級(jí)線圈電路中其它電容等效電路的換算，以及用于對(duì)負(fù)載電阻的換算。所以，C2亦可以是次級(jí)線圈電路中的任意電容，C1為C2等效到初級(jí)線圈電路中的電容。

　　由此可以求得圖2中，變壓器的總分布電容Cs為：

　　（4）

　?。?）式中，Cs為變壓器的總分布電容，Cs1為變壓器初級(jí)線圈的分布電容；而C1為次級(jí)線圈電路中所有電容等效到初級(jí)線圈電路中的電容；C2為次級(jí)線圈電路中所有電容（包括分布電容與電路中的電容）；n = N2/N1為變壓比。

開關(guān)變壓器與一般變壓器等效電路區(qū)別#e#

　　雖然看起來，圖2開關(guān)變壓器的等效電路與一般變壓器的等效電路沒有根本的區(qū)別，但開關(guān)變壓器的等效電路一般是不能用穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行分析的；即：圖2中的等效負(fù)載電阻R不是一個(gè)固定參數(shù)，它會(huì)隨著開關(guān)電源的工作狀態(tài)不斷改變。例如，在反激式開關(guān)電源中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)變壓器是沒有功率輸出的，即負(fù)載電阻R等于無限大；而對(duì)于正激式開關(guān)電源，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)變壓器是有功率輸出的，即負(fù)載電阻R既不等于無限大，也不等于0 。因此，分布電感與分布電容對(duì)正激式開關(guān)電源和反激式開關(guān)電源工作的影響是不一樣的。

　　圖3是開關(guān)變壓器與電源開關(guān)管連接時(shí)的工作原理圖。圖3中，Q1為開關(guān)管，Cds為開關(guān)管漏極和源極之間的分布電容，Cgs為開關(guān)管柵極和源極之間的分布電容。值得說明的是，這里的Cgs和Cds都不是一個(gè)單純性質(zhì)的電容，它只是在開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷的一瞬間，其阻抗的變化過程與電容（或電感）的充放電過程很類似；而它的基本性質(zhì)實(shí)際上還是屬于電阻，因?yàn)樗鼤?huì)損耗功率。

　　當(dāng)開關(guān)管開始導(dǎo)通時(shí)，外電路給柵極（絕緣柵場效應(yīng)管）加一正電壓，通過靜電感應(yīng)，開關(guān)管耗盡層中的載流子（電子）在電場的作用下會(huì)重新進(jìn)行分布，耗盡層中載流子濃度按指數(shù)規(guī)律不斷增加，這個(gè)過程相當(dāng)于對(duì)電容Cgs進(jìn)行充電；隨著耗盡層中載流子的重新分布，耗盡層的厚度也相應(yīng)增加，其結(jié)果是耗盡層的電阻由大變小。

　　因此，當(dāng)開關(guān)管剛開始導(dǎo)通時(shí)，流過開關(guān)管的電流是由小變大，這個(gè)過程，與在電感兩端加一電壓方波時(shí)，流過電感的電流由小變大很相似；所以，在開關(guān)管剛導(dǎo)通的一瞬間，開關(guān)管的漏極和源極之間可以等效成一個(gè)電感Lds。由于這個(gè)電感相對(duì)分布電感Ls和勵(lì)磁電感 來說很小，所以圖3中沒有畫出。

　　圖4是圖3中的開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的等效工作原理圖。在圖4中，電感Lds為開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)的等效電感，當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管的內(nèi)部電阻將隨時(shí)間由大逐步變小，它的作用好像一個(gè)電感，因此，當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管可以等效成一個(gè)理想的開關(guān)與一個(gè)電感串聯(lián)。但這個(gè)電感屬于電阻性質(zhì)，它會(huì)損耗能量，它不像實(shí)際中的電感那樣可以儲(chǔ)存能量（磁能），它實(shí)際上屬于一個(gè)阻值由大變小的可變電阻，但如果用一個(gè)可變電阻來表示，在計(jì)算過程中將會(huì)很復(fù)雜，并且在開關(guān)管Q1導(dǎo)通的變化過程中，用一個(gè)可變電阻來表示也沒有用一個(gè)電感來表示顯得形象。