開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載十三）正激式變壓器開關(guān)電源

1-6.正激式變壓器開關(guān)電源

正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負(fù)載特性，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較好，因此，工作比較穩(wěn)定，輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動(dòng)，在一些對(duì)輸出電壓參數(shù)要求比較高的場(chǎng)合，經(jīng)常使用。

1-6-1.正激式變壓器開關(guān)電源工作原理

所謂正激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正在被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈正好有功率輸出。

圖1-17是正激式變壓器開關(guān)電源的簡(jiǎn)單工作原理圖，圖1-17中Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是開關(guān)變壓器，K是控制開關(guān)，L是儲(chǔ)能濾波電感，C是儲(chǔ)能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，R是負(fù)載電阻。

在圖1-17中，需要特別注意的是開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈的同名端。如果把開關(guān)變壓器初線圈或次級(jí)線圈的同名端弄反，圖1-17就不再是正激式變壓器開關(guān)電源了。

我們從(1-76)和(1-77)兩式可知，改變控制開關(guān)K的占空比D，只能改變輸出電壓(圖1-16-b中正半周)的平均值Ua ，而輸出電壓的幅值Up不變。因此，正激式變壓器開關(guān)電源用于穩(wěn)壓電源，只能采用電壓平均值輸出方式。

圖1-17中，儲(chǔ)能濾波電感L和儲(chǔ)能濾波電容C，還有續(xù)流二極管D2，就是電壓平均值輸出濾波電路。其工作原理與圖1-2的串聯(lián)式開關(guān)電源電壓濾波輸出電路完全相同，這里不再贅述。關(guān)于電壓平均值輸出濾波電路的詳細(xì)工作原理，請(qǐng)參看“1-2.串聯(lián)式開關(guān)電源”部分中的“串聯(lián)式開關(guān)電源電壓濾波輸出電路”內(nèi)容。

正激式變壓器開關(guān)電源有一個(gè)最大的缺點(diǎn)，就是在控制開關(guān)K關(guān)斷的瞬間開關(guān)電源變壓器的初、次線圈繞組都會(huì)產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是由流過(guò)變壓器初線圈繞組的勵(lì)磁電流存儲(chǔ)的磁能量產(chǎn)生的。因此，在圖1-17中，為了防止在控制開關(guān)K關(guān)斷瞬間產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)擊穿開關(guān)器件，在開關(guān)電源變壓器中增加一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)能量吸收反饋線圈N3繞組，以及增加了一個(gè)削反峰二極管D3。

反饋線圈N3繞組和削反峰二極管D3對(duì)于正激式變壓器開關(guān)電源是十分必要的，一方面，反饋線圈N3繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)二極管D3可以對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行限幅，并把限幅能量返回給電源，對(duì)電源進(jìn)行充電;另一方面，流過(guò)反饋線圈N3繞組中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以使變壓器的鐵心退磁，使變壓器鐵心中的磁場(chǎng)強(qiáng)度恢復(fù)到初始狀態(tài)。

由于控制開關(guān)突然關(guān)斷，流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流突然為0，此時(shí)，流過(guò)反饋線圈N3繞組中的電流正好接替原來(lái)勵(lì)磁電流的作用，使變壓器鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度由最大值Bm返回到剩磁所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br位置，即：流過(guò)反饋線圈N3繞組中電流是由最大值逐步變化到0的。由此可知，反饋線圈N3繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在對(duì)電源進(jìn)行充電的同時(shí)，流過(guò)反饋線圈N3繞組中的電流也在對(duì)變壓器鐵心進(jìn)行退磁。

圖1-18是圖1-17中正激式變壓器開關(guān)電源中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓、電流波形圖。圖1-18-a)是變壓器次級(jí)線圈N2繞組整流輸出電壓波形，圖1-18-b)是變壓器次級(jí)線圈N3繞組整流輸出電壓波形，圖1-18-c)是流過(guò)變壓器初級(jí)線圈N1繞組和次級(jí)線圈N3繞組的電流波形。

圖1-17中，在Ton期間，控制開關(guān)K接通，輸入電源Ui對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1繞組加電，初級(jí)線圈N1繞組有電流i1流過(guò)，在N1兩端產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)的同時(shí)，在變壓器次級(jí)線圈N2繞組的兩端也同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并向負(fù)載提供輸出電壓。開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓大小由(1-63)、(1-69)、(1-76)、(1-77)等式給出，電壓輸出波形如圖1-18-a)。

圖1-18-c)是流過(guò)變壓器初級(jí)線圈電流i1的波形。流過(guò)正激式開關(guān)電源變壓器的電流與流過(guò)電感線圈的電流不同，流過(guò)正激式開關(guān)電源變壓器中的電流有突變，而流過(guò)電感線圈的電流不能突變。因此，在控制開關(guān)K接通瞬間流過(guò)正激式開關(guān)電源變壓器的電流立刻就可以達(dá)到某個(gè)穩(wěn)定值，這個(gè)穩(wěn)定電流值是與變壓器次級(jí)線圈電流大小相關(guān)的。如果我們把這個(gè)電流記為i10，變壓器次級(jí)線圈電流為i2，那么就是：i10 = n i2 ，其中n為變壓器次級(jí)電壓與初級(jí)電壓比。

另外，流過(guò)正激式開關(guān)電源變壓器的電流i1除了i10之外還有一個(gè)勵(lì)磁電流，我們把勵(lì)磁電流記為?i1。從圖1-18-c)中可以看出，?i1就是i1中隨著時(shí)間線性增長(zhǎng)的部份，勵(lì)磁電流?i1由下式給出：

?i1 = Ui*t/L1 —— K接通期間 (1-80)

當(dāng)控制開關(guān)K由接通突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷瞬間，流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的電流i1突然為0，由于變壓器鐵心中的磁通量ф 不能突變，必須要求流過(guò)變壓器次級(jí)線圈回路的電流也跟著突變，以抵消變壓器初級(jí)線圈電流突變的影響，要么，在變壓器初級(jí)線圈回路中將出現(xiàn)非常高的反電動(dòng)勢(shì)電壓，把控制開關(guān)或變壓器擊穿。

如果變壓器鐵心中的磁通產(chǎn)生突變，變壓器的初、次級(jí)線圈就會(huì)產(chǎn)生無(wú)限高的反電動(dòng)勢(shì)，反電動(dòng)勢(shì)又會(huì)產(chǎn)生無(wú)限大的電流，而電流又會(huì)抵制磁通的變化，因此，變壓器鐵心中的磁通變化，最終還是要受到變壓器初、次級(jí)線圈中的電流來(lái)約束的。

因此，控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷，變壓器初級(jí)線圈回路中的電流突然為0時(shí)，變壓器次級(jí)線圈回路中的電流i2一定正好等于控制開關(guān)K接通期間的電流i2(Ton+)，與變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流?i1被折算到變壓器次級(jí)線圈的電流之和。但由于變壓器初級(jí)線圈中勵(lì)磁電流?i1被折算到變壓器次級(jí)線圈的電流?i1/n的方向與原來(lái)變壓器次級(jí)線圈的電流i2(Ton+)的方向是相反的，整流二極管D1對(duì)電流?i1/n并不導(dǎo)通，因此，電流?i1/n只能通過(guò)變壓器次級(jí)線圈N3繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)整流二極管D3向輸入電壓Ui進(jìn)行反充電。

在Ton期間，由于開關(guān)電源變壓器的電流的i10等于0，變壓器次級(jí)線圈N2繞組回路中的電流i2自然也等于0，所以，流過(guò)變壓器次級(jí)線圈N3繞組中的電流，只有變壓器初級(jí)線圈中勵(lì)磁電流?i1被折算到變壓器次級(jí)線圈N3繞組回路中的電流i3 (等于?i1/n)，這個(gè)電流的大小是隨著時(shí)間下降的。

一般正激式開關(guān)電源變壓器的初級(jí)線圈匝數(shù)與次級(jí)反電動(dòng)勢(shì)能量吸收反饋線圈N3繞組的匝數(shù)是相等的，即：初、次級(jí)線圈匝數(shù)比為：1 ：1 ，因此，?i1 = i3 。圖1-18-c)中，i3用虛線表示。

圖1-18-b)正激式開關(guān)電源變壓器次級(jí)反電動(dòng)勢(shì)能量吸收反饋線圈N3繞組的電壓波形。這里取變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比為：1 ：1，因此，當(dāng)次級(jí)線圈N3繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓超過(guò)輸入電壓Ui時(shí)，整流二極管D3就導(dǎo)通，反電動(dòng)勢(shì)電壓就被輸入電壓Ui和整流二極管D3進(jìn)行限幅，并把限幅時(shí)流過(guò)整流二極管的電流送回供電回路對(duì)電源或儲(chǔ)能濾波電容進(jìn)行充電。

精確計(jì)算電流i3的大小，可以根據(jù)(1-80)式以及下面方程式求得，當(dāng)控制開關(guān)K關(guān)閉時(shí)：

e3 = -L3*di/dt = -Ui —— K接通期間 (1-81)

i3 = -(Ui*Ton/nL1)- Ui*t/L3 —— K關(guān)斷期間 (1-82)

上式中右邊的第一項(xiàng)就是流過(guò)變壓器初級(jí)線圈N1繞組中的最大勵(lì)磁電流被折算到次級(jí)線圈N3繞組中的電流，第二項(xiàng)是i3中隨著時(shí)間變化的分量。其中n為變壓器次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的變壓比。值得注意的是，變壓器初、次級(jí)線圈的電感量不是與線圈匝數(shù)N成正比，而是與線圈匝數(shù)N2成正比。由(1-82)式可以看出，變壓器次級(jí)線圈N3繞組的匝數(shù)增多，即：L3電感量增大，變壓器次級(jí)線圈N3繞組的電流i3就變小，并且容易出現(xiàn)斷流，說(shuō)明反電動(dòng)勢(shì)的能量容易釋放完。因此，變壓器次級(jí)線圈N3繞組匝數(shù)與變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)之比n最好大于一或等于一。

當(dāng)N1等于N3時(shí)，即：L1等于L3時(shí)，上式可以變?yōu)椋?/p>

i3 =Ui(Ton-t)/L3 —— K接通期間 (1-83)

(1-83)式表明，當(dāng)變壓器初級(jí)線圈N1繞組的匝數(shù)與次級(jí)線圈N3繞組的匝數(shù)相等時(shí)，如果控制開關(guān)的占空比D小于0.5，電流i3是不連續(xù)的;如果占空比D等于0.5，電流i3為臨界連續(xù);如果占空比D大于0.5，電流i3為連續(xù)電流。

這里順便說(shuō)明，在圖1-17中，最好在整流二極管D1的兩端并聯(lián)一個(gè)高頻電容(圖中未畫出)。其好處一方面可以吸收當(dāng)控制開關(guān)K關(guān)斷瞬間變壓器次級(jí)線圈產(chǎn)生的高壓反電動(dòng)勢(shì)能量，防止整流二極管D1擊穿;另一方面，電容吸收的能量在下半周整流二極管D1還沒(méi)導(dǎo)通前，它會(huì)通過(guò)放電(與輸出電壓串聯(lián))的形式向負(fù)載提供能量。這個(gè)并聯(lián)電容不但可以提高電源的輸出電壓(相當(dāng)于倍壓整流的作用)，還可以大大地減小整流二極管D1的損耗，提高工作效率。同時(shí)，它還會(huì)降低反電動(dòng)勢(shì)的電壓上升率，對(duì)降低電磁輻射有好處。

下一次我們談?wù)劇罢な阶儔浩鏖_關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)”。