漏電感對正激和反激式開關(guān)電源的影響及設(shè)計方法

1 引言

漏電感在開關(guān)電源主回路中一定存在，尤其在變壓器、電感器等中都是不可避免的。過去在討論中一般把它略而不計，設(shè)計中更無從考慮。現(xiàn)在隨著開關(guān)電源的單機容量和整機容量的日益提高，這個參數(shù)影響到開關(guān)電源主要的參數(shù)，例如，40A/5V輸出的開關(guān)電源，電壓損失竟達20%，還影響到開關(guān)電源的重量和效率。因此，漏電感問題討論、研究已擺到日程上了。加上脈沖電壓VS(t)到變壓器線圈就產(chǎn)生電流，沿著鐵心磁徑產(chǎn)生閉合的主磁通Φ(t)和部分路徑在鐵心附近的空氣中閉合的漏磁通Φσ(t)。Φ(t)和Φσ(t)將在線圈分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e(t)和eσ(t)，兩者之和加上電阻壓降與外加電壓相平衡，遵從KVL方程。過去，一般書刊略去eσ(t)， KVL方程簡化為Vs(t)=Δt 。

2 反激式變換器的漏電感

反激式變換器線路如圖一所示。反激工作原理可參見文獻[1]。它的變壓器是一定需加氣隙的，這樣才能使整個線路工作得到良性循環(huán)。其等效電路如圖二所示(折算到副邊繞組)。 WP1表示反激式變換器的變壓器空氣隙中儲存的能量，該繞組電感LP1折算到副邊繞組電感L’P1很小(≈LP1/n2)可以略去。Lσ表示NP與NS間的漏電感;LS1、LP1分別表示副、原繞組的電感;Lσ的作用很明顯是延緩了副邊電壓電流的建立，其電流波形見圖三，引起的電壓的損失(或效率的損失)如陰影部分所示。

如是副邊雙電壓輸出，存在另一繞組S2、D2和R2時，則其等效電路如圖四所示。

這時把原邊和第二個副邊繞組均折算至副邊的第一個繞組。 Lσ1表示LP與LS間的漏電感;Lσ2表示副邊第一繞組與第二繞組間的漏電感;LS1、L’S2為副邊第一、二繞組電感;L’S2、U’S、Lσ2為折算值，此時V0=V1’。兩組輸出電壓的大小，決定于R1、R2及LS1、Lσ2+L’S2等四個方面，設(shè)t2時開關(guān)晶體管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止，能量WP1轉(zhuǎn)移至LS1、L’S2，電流延緩增長情形將如圖五所示。

這時瞬時值，并按下式進行電流分配：

(1)

(2)

如果設(shè)計時，I1為主輸出電流，要求穩(wěn)壓精度高，I2輸出功率小，穩(wěn)壓精度次之，那么參數(shù)選擇I1為閉環(huán)調(diào)節(jié)量。當(dāng)I1 / I2發(fā)生變化時，按I1情況要求穩(wěn)定電壓V1而進行調(diào)整，調(diào)整后V1的穩(wěn)壓是不成問題的，但是V2穩(wěn)壓精度將作出犧牲。電壓損失值可計算如下[2]：

(3)

式中：

3 正激式變換器的漏電感

雙晶體管正激式變換器主電路如圖六所示。工作原理可參見文獻[1]。如果副邊雙輸出電壓，假設(shè)為如文獻[1]指出： VS’的建立，D3的導(dǎo)通，受制于變壓器和副邊電路的漏電感。設(shè)S1、S2關(guān)斷期間，原來D4導(dǎo)通，IL1續(xù)流狀態(tài)。從這一狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镾1、S2導(dǎo)通時，D3電流建立，相應(yīng)D4電流的減少，經(jīng)過iD3、 iD4二者相等階段至iD3 = IL1時，D4完全關(guān)斷，D3開始輸出能量到負載。第二個副繞組也有相似過程。這種輸送能量的延遲，隨漏感而定，一般在0.5μS到若干μS內(nèi)就建立。但是在低電壓大電流傳遞時，漏感影響電流的建立非常明顯，甚至占了全導(dǎo)通期間的相當(dāng)比例。如果變壓器設(shè)計太差，漏感值太大，會導(dǎo)致不能輸送所需電源功率。因為在關(guān)斷期間大部分原邊繞組儲能反饋回電源VS中，形成能量在開關(guān)管、二極管間流動，產(chǎn)生毫無意義的能量損耗。這種開關(guān)工作正常，開關(guān)電源帶不起負載現(xiàn)象的根本原因就是設(shè)計問題和變壓器漏電感問題。