開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載53）

2-1-1-4．脈沖序列對(duì)雙激式開關(guān)電源變壓器鐵心的磁化

雙激式變壓器與單激式變壓器的區(qū)別主要是兩者輸入電壓的參數(shù)不一樣。單激式變壓器輸入的電壓是單極性直流脈沖，而雙激式變壓器輸入的電壓是雙極性交流脈沖。為了簡(jiǎn)單起見，我們把雙激式變壓器開關(guān)電源等效成如圖2-5所示電路。圖2-5與圖2-1所示電路的不同之處在于，圖2-1輸入電壓是直流脈沖方波，而圖2-5輸入電壓是交流脈沖電壓方波。因此，圖2-5所示電路與一般的變壓器電路在工作原理上沒有根本的區(qū)別。

在圖2-5中，當(dāng)一系列序號(hào)為1、2、3、…的交流脈沖電壓方波分別加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí)，在開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈中就會(huì)分別有兩個(gè)正、反方向的勵(lì)磁電流流過，同時(shí)，在開關(guān)變壓器的鐵芯中就會(huì)分別產(chǎn)生正、反兩個(gè)方向的磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁化作用下又會(huì)產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)應(yīng)的磁通密度B或磁通Φ 。

圖2-6是雙激式開關(guān)變壓器鐵芯磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系圖，或稱變壓器鐵芯磁化曲線圖或磁滯回線圖。之所以把圖2-6磁滯回線圖，是因?yàn)榇磐芏菳比磁場(chǎng)強(qiáng)度H滯后一個(gè)相位或者一段時(shí)間。

如果開關(guān)變壓器的鐵芯在這之前從來沒有被任何磁場(chǎng)磁化過，并且開關(guān)變壓器的伏秒容量足夠大，那么，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)交流脈沖的正半周電壓加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí)，在變壓器初級(jí)線圈中將有勵(lì)磁電流流過，并在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)；在磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用下，變壓器鐵芯中的磁通密度B將會(huì)按圖2-6中o-a磁化曲線上升；當(dāng)脈沖電壓的正半周將要結(jié)束時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)最大值Hm，同時(shí)對(duì)應(yīng)的磁通密度也被磁化到最大值Bm。磁通密度在增加，表示流過變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正在對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行充磁。

第一個(gè)交流脈沖的正半周電壓結(jié)束后，雖然輸入電壓由正的最大值突然降到0 ，但流過變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流不能馬上下降到零，因此，磁場(chǎng)強(qiáng)度H也不會(huì)馬上下降到零；此時(shí)，變壓器的初、次級(jí)線圈會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，由于反電動(dòng)勢(shì)的作用，在變壓器的初、次級(jí)線圈回路中會(huì)有電流流過，這種回路電流屬于感應(yīng)電流，或稱感生電流，感應(yīng)電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，使變壓器鐵芯退磁，磁場(chǎng)強(qiáng)度H開始由最大值Hm逐步退到0 。

但變壓器鐵芯中的磁通密度B卻不會(huì)跟隨磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零，由于變壓器鐵芯具有磁矯頑力，變壓器鐵芯鐵芯的磁化過程是不可逆的，因此磁通密度被退磁時(shí)并不是按充磁時(shí)的o-a磁化曲線原路返回，而是按另一條新的磁化曲線a-b返回到b點(diǎn)，即：剩余磁通密度Br處；因此，磁通密度位于b點(diǎn)的值，人們都習(xí)慣地把它稱為剩余磁通密度，或簡(jiǎn)稱“剩磁”，用Br表示。

當(dāng)輸入交流脈沖電壓由正半周轉(zhuǎn)換成負(fù)半周的時(shí)候，勵(lì)磁電流的方向也要改變，使變壓器鐵芯繼續(xù)進(jìn)行退磁，磁通密度由b點(diǎn)沿著b-c磁化曲線繼續(xù)退磁到c點(diǎn)，此時(shí)，磁通密度雖然為零，但對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度并不為零，而是一個(gè)負(fù)值；當(dāng)勵(lì)磁電流按相反的方向繼續(xù)增加時(shí)，磁通密度也相應(yīng)地按相反的方向沿著c-d磁化曲線繼續(xù)增加，此時(shí)，變壓器鐵芯由退磁轉(zhuǎn)變?yōu)楸环聪虺浯?；?dāng)磁通密度沿著磁化曲線c-d增加到達(dá)d點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到負(fù)的最大值-Hm，磁通密度也同時(shí)達(dá)到負(fù)的最大值-Bm 。

第一個(gè)交流脈沖的負(fù)半周電壓結(jié)束后，輸入電壓將由負(fù)的最大值突然降到0 ，但流過變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流不能馬上下降到零，因此，磁場(chǎng)強(qiáng)度H也不會(huì)馬上下降到零；同理，變壓器的初、次級(jí)線圈會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，使變壓器鐵芯退磁，磁場(chǎng)強(qiáng)度H由負(fù)的最大值-Hm逐步退到0；由于變壓器鐵芯具有磁矯頑力，因此，磁通密度的下降并不是按充磁時(shí)的磁化曲線c-d原路返回到c，而是按另一條新的磁化曲線d-e返回到e點(diǎn)，即：負(fù)的剩余磁通密度-Br。

第一個(gè)交流脈沖結(jié)束后，第二個(gè)交流脈沖對(duì)變壓器鐵芯的磁化并沒有重復(fù)第一個(gè)交流脈沖的磁化過程。當(dāng)?shù)诙€(gè)交流脈沖的正半周電壓到來時(shí)，磁通密度卻是從磁化曲線的e點(diǎn)-Br位置開始的，其對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0，然后磁通密度沿著磁化曲線e-f上升，經(jīng)過0后再沿著磁化曲線f-a升到最大值Bm，對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為最大值Hm。

其余類推，每輸入一個(gè)正、負(fù)脈沖，磁通密度都會(huì)沿著磁化曲線e-f-a上升到最大值Bm，然后又沿著磁化曲線a-b-c-d下降到負(fù)的最大值-Bm 。

除了第一個(gè)交流脈沖，磁通密度由0經(jīng)過磁化曲線o-a上升到最大值Bm之外，后面任何一個(gè)電壓脈沖加于變壓器初級(jí)線圈a、b兩端，變壓器鐵芯被磁化，磁通密度都不會(huì)再經(jīng)過磁化曲線o-a。因此，圖2-6中磁化曲線o-a與圖2-4所示的磁化曲線B一樣，也叫初始磁化曲線或基本磁化曲線。

從圖2-6還可以看出，雖然磁通密度被磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化的時(shí)候可以同時(shí)到達(dá)正、負(fù)最大值，但在磁場(chǎng)強(qiáng)度經(jīng)過零的時(shí)候，磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度總是出現(xiàn)一個(gè)相位差。

圖2-7是多個(gè)交流脈沖電壓連續(xù)加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí)，輸入脈沖電壓與變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通Φ對(duì)應(yīng)變化的曲線圖。

圖2-7-a）為輸入電壓各個(gè)交流脈沖之間的相位圖，圖2-7-b）為變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通Φ對(duì)應(yīng)各個(gè)輸入交流脈沖電壓變化的曲線圖；圖2-7-c）為變壓器鐵芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)應(yīng)磁通密度B或磁通Φ和各個(gè)交流脈沖電壓之間變化的曲線圖。

從圖2-7-a）和圖2-7-b）可以看出，每輸入一個(gè)交流脈沖電壓，變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通Φ就要線性增長(zhǎng)和下降一次，磁通密度變化的范圍是從負(fù)的最大值-Bm到正的最大值Bm，并且增長(zhǎng)和下降的速率基本一樣。從圖2-7-c）可以看出，每輸入一個(gè)交流脈沖電壓，變壓器鐵芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H也要增長(zhǎng)和下降一次，但增長(zhǎng)和下降的速率卻不一樣；增長(zhǎng)的速度慢，而下降的速度快，這是因?yàn)樽儔浩鞒?、次線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)與輸入電壓同時(shí)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁的原因。

從圖2-7與圖2-3進(jìn)行對(duì)比可以看出，雙激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁化過程，不會(huì)出現(xiàn)單激式開關(guān)電源變壓器鐵芯需要經(jīng)過多個(gè)輸入脈沖后，磁通密度B或磁通Φ增長(zhǎng)的幅度與下降的幅度才能達(dá)到穩(wěn)定的情況。相對(duì)來說，雙激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁化過程達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間非常短；從輸入第一個(gè)脈沖開始，磁通密度B或磁通Φ增長(zhǎng)的幅度與下降的幅度就基本一樣大；并且變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通Φ的增長(zhǎng)或下降都是線性的；因?yàn)?，輸入電壓正、?fù)半周的幅度都相等，而輸入電壓正比于變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)與磁通對(duì)時(shí)間變化速率的乘積。

——輸入電壓與磁通變化的關(guān)系，請(qǐng)參考上面（2-13）和（2-14）式。