開關(guān)電源原理與設(shè)計（連載26）雙激式變壓器開關(guān)電源(part1)

1-8．雙激式變壓器開關(guān)電源

所謂雙激式變壓器開關(guān)電源，就是指在一個工作周期之內(nèi)，變壓器的初級線圈分別被直流電壓正、反激勵兩次。與單激式變壓器開關(guān)電源不同，雙激式變壓器開關(guān)電源一般在整個工作周期之內(nèi)，都向負載提供功率輸出。雙激式變壓器開關(guān)電源輸出功率一般都很大，因此，雙激式變壓器開關(guān)電源在一些中、大型電子設(shè)備中應(yīng)用很廣泛。這種大功率雙激式變壓器開關(guān)電源最大輸出功率可以達300瓦以上，甚至可以超過1000瓦。

推挽式、半橋式、全橋式等變壓器開關(guān)電源都屬于雙激式變壓器開關(guān)電源。

1-8-1．推挽式變壓器開關(guān)電源的工作原理

在雙激式變壓器開關(guān)電源中，推挽式變壓器開關(guān)電源是最常用的開關(guān)電源。由于推挽式變壓器開關(guān)電源中的兩個控制開關(guān)K1和K2輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對稱，并且開關(guān)電源在整個工作周期之內(nèi)都向負載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性也很好。
推挽式變壓器開關(guān)電源是所有開關(guān)電源中電壓利用率最高的開關(guān)電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，所以推挽式變壓器開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于DC/AC逆變器，或DC/DC轉(zhuǎn)換器電路中。

1-8-1-1．交流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源

一般的DC/AC逆變器，如交流不間斷電源（簡稱UPS），大多數(shù)都是采用推挽式變壓器開關(guān)電源電路。這種DC/AC逆變器工作頻率很高，所以體積可以做得非常??；由于這個特點，推挽式變壓器開關(guān)電源也經(jīng)常用于AC/AC轉(zhuǎn)換電路中，以減小電源變壓器的體積。

圖1-27是交流輸出純電阻負載推挽式變壓器開關(guān)電源的簡單原理圖。圖中，K1、K2是兩個控制開關(guān)，它們工作的時候，一個接通，另一個關(guān)斷，兩個開關(guān)輪流接通和關(guān)斷，互相交替工作；T為開關(guān)變壓器，N1、N2為變壓器的初級線圈，N3為變壓器的次級線圈；Ui為直流輸入電壓，R為負載電阻；uo為輸出電壓，io為流過負載的電流。

圖1-27中，當控制開關(guān)K1接通時，電源電壓Ui通過控制開關(guān)K1被加到變壓器初級線圈N1繞組的兩端，通過電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級線圈N3繞組的兩端也會輸出一個與N1繞組輸入電壓成正比的電壓，并加到負載R的兩端，使開關(guān)電源輸出一個正半周電壓。當控制開關(guān)K1由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，控制開關(guān)K2則由關(guān)斷轉(zhuǎn)為接通，此時電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N2繞組的兩端，通過互感在變壓器次級線圈N3繞組的兩端也輸出一個與N2繞組輸入電壓成正比的電壓uo，并加到負載R的兩端，使開關(guān)電源輸出一個負半周電壓。

由于電源電壓Ui加到變壓器初級線圈N1繞組和N2兩端產(chǎn)生磁通的方向正好相反，所以在負載上可得到一個與線圈N1、N2繞組所加電壓對應(yīng)的正、負極性電壓uo。正半周對應(yīng)的是K1接通時，N1繞組與N3繞組互相感應(yīng)的輸出電壓；負半周對應(yīng)的是K2接通時，N2繞組與N3繞組互相感應(yīng)的輸出電壓。

下面我們進一步詳細分析推挽式變壓器開關(guān)電源的工作原理。

圖1-27中，當控制開關(guān)K1接通時，輸入電源Ui開始對變壓器初級線圈N1繞組加電，電流從變壓器初級線圈N1繞組的兩端經(jīng)過，通過電磁感應(yīng)會在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場，并產(chǎn)生磁力線；同時，在初級線圈N1繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動勢e1，在次級線圈N3繞組的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e3；感應(yīng)電動勢e3作用于負載R的兩端，從而產(chǎn)生負載電流。因此，在初、次級電流的共同作用下，在變壓器的鐵心中會產(chǎn)生一個由流過變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的合成磁場，這個磁場的大小可用磁力線通量（簡稱磁通量），即磁力線的數(shù)目Φ 來表示。

如果用 Φ1來表示變壓器初級線圈N1繞組電流產(chǎn)生的磁通量，用 Φ3來表示變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通量，由于變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的磁場方向總是相反，則在控制開關(guān)K1接通期間，由流過變壓器初、次級線圈電流在變壓器鐵心中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量 為：

Φ= Φ1－ Φ3 —— K1接通期間 （1-125）

其中變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通 Φ1還可以分成兩個部分，一部分用來抵消變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通 Φ3，記為 10，另一部分是由勵磁電流產(chǎn)生的磁通，記為ΔΦ 1。顯然 Φ10 =－ Φ3，ΔΦ 1 = Φ 。即：變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量 ，只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關(guān)，與流過變壓器次級線圈中的電流無關(guān)；流過變壓器次級線圈中的電流產(chǎn)生的磁通，完全被流過變壓器初級線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程：

e1 = N1dΦ/dt = Ui —— K1接通期間 （1-126）

同樣，可以對變壓器次級線圈N3繞組回路列出方程：

e3 = N3 dΦ/dt =（Up）—— K1接通期間 （1-127）

上式中，（Up）為開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組正激輸出電壓的幅值，用括弧匡住來表示。由于流過開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組的勵磁電流是線性變化的，所以我們可認為開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組正激輸出電壓是一個方波。方波的幅值Up與半波平均值Upa以及有效值Uo三者完全相等。
根據(jù)（1-126）和（1-127）可以求得：

（Up）= e3 =ne1 =nUi —— K1接通期間 （1-128）

（1-128）式就是推挽式變壓器開關(guān)電源正激輸出時的電壓關(guān)系式。上式中，（Up）為開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組正激輸出電壓的幅值，Ui為開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓；n為變壓比，即：開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓與初級線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比，即：n = N3/N1。

由此可知，在控制開關(guān)K1接通期間，推挽式變壓器開關(guān)電源變壓器次級正激輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級變壓比有關(guān)。

同理我們也可以求得，當控制開關(guān)K2接通時，開關(guān)變壓器N3線圈繞組正激輸出電壓的幅值（Up-）為：

（Up-）= －e3 =－ne2 = －nUi —— K2接通期間 （1-129）

上式中的負號表示e3的符號與（1-128）式中的符號相反，（Up-）表示與（Up）的極性相反。
這里還需指出，（1-128）式和（1-129）式列出的計算結(jié)果，并沒有考慮控制開關(guān)K1或K2關(guān)斷瞬間，勵磁電流存儲的能量也會通過變壓器的次級線圈N3繞組產(chǎn)生反電動勢（反激式輸出）的影響，即：推挽式變壓器開關(guān)電源同時存在正、反激電壓輸出。
反激式電壓產(chǎn)生的原因是因為K1或K2接通瞬間變壓器初級或次級線圈中的電流初始值不等于零，或磁通的初始值不等于零。即：推挽式變壓器開關(guān)電源中反激式電壓的產(chǎn)生是由變壓器勵磁電流存儲的能量產(chǎn)生的。