【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 化電流增大，同時(shí)次級(jí)VV2加到負(fù)載上的輸出電壓也不相等，從而增大紋波，推挽電路的優(yōu)勢(shì)盡失。因此，這種推挽電路目前僅用于自激或它激式低壓輸入的穩(wěn)壓變換器中。因?yàn)榈蛪汗╇?，NN2匝數(shù)少，且兩繞組間電壓差也小，一般采用雙線并繞的方式來(lái)保證其對(duì)稱性圖22為飽和型推挽式自激變換器的基本電路。所謂飽和式，是指脈沖變壓器工作在磁化曲線的飽和狀態(tài)。電路通電以后，電流經(jīng)電阻R1到正反饋繞組N3～N4的中點(diǎn)，同時(shí)向VTVT2基極提供啟動(dòng)偏置。由于VT2的基極電路附加了R2，因此IBIC2小于ICIB1。啟動(dòng)狀態(tài)，IC1IC2的結(jié)果，使脈沖變壓器中形成的磁通φN1φN2，合成總磁通量為φN1φN2，使VT1的導(dǎo)通電流起主導(dǎo)作用。因此，φN1在各繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，正反饋繞組N3的感應(yīng)電勢(shì)形成對(duì)VT1的正反饋，使VT1集電極電流迅速增大。IC1的增大使N1激磁電流增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)的增加，使磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)磁化曲線增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)磁心飽和點(diǎn)時(shí)，即使磁化電流再增大，也無(wú)法再使磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，即磁通量的變化為零。磁通量飽和的結(jié)果，使其無(wú)變量，各繞組感應(yīng)電壓為零，VT1的正反饋消失，集電極電流IC1＞IB1*β，并迅速減小。此過(guò)程中，正反饋繞組感應(yīng)電壓反向，使VT2導(dǎo)通，且IC2迅速增大，VT1截止。此過(guò)程中，由于磁心的飽和周而復(fù)始地進(jìn)行，VTVT2輪流導(dǎo)通，初始電流方向隨之不斷改變，因而在次級(jí)感應(yīng)出雙向矩形脈沖。因此推挽變換器次級(jí)可以通過(guò)全波或橋式整流向負(fù)載供電。 圖22飽和式推挽變換器基本電路 飽和型推挽變換器中，開關(guān)管VTVT2必須選擇較大的ICM。因?yàn)楫?dāng)磁通量開始飽和時(shí)，脈沖變壓器等效電感也開始減小，磁通量完全飽和時(shí)等效電感為零，開關(guān)管集電極電流劇增。在Ic劇增至IcIB*β時(shí)，Ic才開始減小。一般飽和型變換器只用在低壓變換器中，即使如此也必須嚴(yán)格設(shè)計(jì)脈沖變壓器飽和點(diǎn)的激磁電流，不能大于開關(guān)管最大允許電流。這種變換器的優(yōu)點(diǎn)是頻率比較穩(wěn)定，其翻轉(zhuǎn)過(guò)程只取決于脈沖變壓器和負(fù)載電流。 自激推挽式變換器也有不足。首先是自激推挽式開關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)脈沖是雙向的。在圖52中，當(dāng)VT1導(dǎo)通期間，N3的感應(yīng)脈沖是以正脈沖形式加到VT1的基極，此時(shí)VT2處于截止?fàn)顟B(tài)，N4的感應(yīng)脈沖以負(fù)脈沖形式加到VT2基極。當(dāng)開關(guān)管或脈沖變壓器進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)，首先是正反饋脈沖減小，隨βIB??IC而使正反饋脈沖反相。由于雙極型開關(guān)管有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，IB的減小，甚至IB?=?0時(shí)，其IC不會(huì)立即截止，而正反饋脈沖的反相卻可以使另一只開關(guān)管立即導(dǎo)通，因此，在VTVT2交替過(guò)程中必然出現(xiàn)兩管同時(shí)瞬間導(dǎo)通。因兩管集電極電流通過(guò)脈沖變壓器形成反向磁場(chǎng)，而使脈沖變壓器等效電感量減小，開關(guān)管電流增大。正因?yàn)槿绱?，這種變換器的工作頻率一般只在2000?Hz左右，以減小兩管交替導(dǎo)通過(guò)程中造成的共態(tài)導(dǎo)通損耗。這是推挽式變換器應(yīng)用于高壓開關(guān)電源所必須解決的第一個(gè)問(wèn)題。所有用于高壓開關(guān)電路的開關(guān)管絕對(duì)都只采用NPN型，這點(diǎn)是由半導(dǎo)體器件工藝所決定的?，F(xiàn)有PNP型管的UCEO最大也極少超過(guò)300?V，因此高壓變換器也只能采用全NPN型開關(guān)管。由圖52看出，當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，VT2為截止?fàn)顟B(tài)，其集電極電壓為N2的感應(yīng)脈沖和電源電壓之和，即2UCC。如果用于輸入整流供電的高壓變換器，VTVT2最高集電極和發(fā)射極之間電壓將是600?V以上，達(dá)到此要求的只有NPN型開關(guān)管。兩管均為NPN管的結(jié)果是，其導(dǎo)通時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖均為正向脈沖，如自激式變換器相同的雙向脈沖。為了避免截止?fàn)顟B(tài)反相驅(qū)動(dòng)脈沖擊穿開關(guān)管的be結(jié)，必須在驅(qū)動(dòng)電路增加必要的保護(hù)措施，否則即使不擊穿be結(jié)，也會(huì)使開關(guān)管處于深度截止?fàn)顟B(tài)，要想使其進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，勢(shì)必增加正向驅(qū)動(dòng)電流，因而使驅(qū)動(dòng)功率增大，變換器效率降低。以上兩個(gè)問(wèn)題不僅使自激推挽式電路效率降低，同時(shí)也不適宜作高壓輸入的變換器。很明顯，自激推挽式開關(guān)電源只能組成無(wú)穩(wěn)壓功能的變換器，而不能用于開關(guān)電源，因?yàn)橐娇刂苾晒艿耐〝嗾伎毡?，電路必然較復(fù)雜，且難以達(dá)到完全對(duì)稱地控制。此類變換器一般采用在輸出端設(shè)置耗能式穩(wěn)壓的方式。截至目前為止，推挽式、橋式變換器都采用它激電路，以便于在驅(qū)動(dòng)脈沖輸出之前進(jìn)行PWM控制。飽和型變換器是利用輸出脈沖變壓器的磁飽和現(xiàn)象使開關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗雇仆焓诫娐返膬芍婚_關(guān)管輪流通、斷。脈沖變壓器為了轉(zhuǎn)換輸出功率，鐵芯的截面積必然較大，而要達(dá)到磁通量的飽和所需磁化電流也較大，使開關(guān)管損耗增大。因此在飽和型變換器的設(shè)計(jì)中，都盡量選擇開關(guān)管的工作狀態(tài)在脈沖變壓器的磁化曲線開始進(jìn)入飽和狀態(tài)之初，首先讓開關(guān)管進(jìn)入飽和區(qū)，使開關(guān)電路翻轉(zhuǎn)，以減小開關(guān)管在變壓器磁通飽和以后的大電流增長(zhǎng)，降低開關(guān)管損耗。但是，無(wú)論是設(shè)計(jì)還是調(diào)試，要保持這兩者的嚴(yán)密關(guān)系都是十分困難的。所以此類變換器常采用雙變壓器的電路形式。上述飽和型變換器中，脈沖變壓器T有雙重功能：　　一是通過(guò)正反饋繞組使開關(guān)管以自激振蕩的形式完成開關(guān)動(dòng)作，進(jìn)行DC/AC的變換。為了使開關(guān)動(dòng)作持續(xù)地、兩管交替地進(jìn)行，脈沖變壓器工作在磁飽和狀態(tài)?！　《菍C/AC轉(zhuǎn)換后的雙向矩形波通過(guò)設(shè)計(jì)的圈數(shù)比耦合到次級(jí)，通過(guò)整流、濾波成為直流電?！　‰p變壓器飽和型變換器中，則將上述兩種功能分別采用驅(qū)動(dòng)變壓器和輸出變壓器來(lái)完成。輸出變壓器只轉(zhuǎn)換輸出功率，驅(qū)動(dòng)變壓器則工作于飽和狀態(tài)，控制開關(guān)管的通/斷。 橋式變換電路全橋變換器電路原理如圖23所示。4只極性相同的開關(guān)管VT1～VT4組成橋式電路接法的4個(gè)臂，變壓器初級(jí)作為負(fù)載電路接于兩臂中點(diǎn)之間。VT1和VT4為一對(duì)，VT2和VT3為另一對(duì)，互補(bǔ)導(dǎo)通，即一對(duì)導(dǎo)通時(shí)另一對(duì)截止。當(dāng)開關(guān)管成對(duì)輪流導(dǎo)通時(shí)，脈沖變壓器初級(jí)連續(xù)通過(guò)方向相反的電流，將輸入直流變成雙向?qū)ΨQ的矩形脈沖，脈沖變壓器次級(jí)通過(guò)全波整流濾波，輸出穩(wěn)定的直流電。 圖23 全橋變換器電路原理圖 橋式開關(guān)電路每個(gè)導(dǎo)通周期兩只開關(guān)管與脈沖變壓器初級(jí)都是串聯(lián)的，因此加在每只開關(guān)管的最高耐壓為推挽式電路的1/2，即等于輸入電壓，這非常適合大電流低反壓開關(guān)管的應(yīng)用。例如，普通單端、推挽式開關(guān)電路，常用反壓UCEO800?V的開關(guān)管，而橋式電路中開關(guān)管UCEO大于400?V也比較安全了。開關(guān)管功耗PCM一定時(shí)，UCEO低的管子其ICM也必然較大，相對(duì)地使橋式開關(guān)電路上限輸出功率增大。此外，橋式電路中脈沖變壓器T的初級(jí)通過(guò)的是對(duì)稱的方波，理論上無(wú)直流成分磁化電流，因而其磁通量為交變磁通，無(wú)恒定磁場(chǎng)，使脈沖變壓器的有效利用率提高，減小了開關(guān)電源的體積和重量。更重要的是，橋式開關(guān)電路的脈沖變壓器初級(jí)只需要一組繞組，不存在對(duì)稱的問(wèn)題，且初級(jí)最高電壓為輸入電壓，這使得脈沖變壓器的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。因此橋式電路被廣泛用于kW級(jí)的大功率開關(guān)電源中。在圖23所示的全橋逆變電路中，互為對(duì)角的一對(duì)開關(guān)管輪流同時(shí)導(dǎo)通，在變壓器初級(jí)側(cè)形成交變電壓，傳遞到次級(jí)，經(jīng)整流濾波后輸出，改變占空比即可改變輸出電壓。當(dāng)VT1與VT4開通后，二極管VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升；VT2與VT3開通后，二極管VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。VT1和VT2斷態(tài)時(shí)承受的最高電壓為Ui。如果VTVT4與VTVT3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，則N1中的交變電壓中將含有直流分量，會(huì)在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流電流，造成磁路飽和，因此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可以在一次側(cè)回路串聯(lián)一個(gè)電容，以阻斷直流電流。設(shè)每對(duì)管導(dǎo)通時(shí)間為ton，開關(guān)周期為T，則在濾波電感電流連續(xù)時(shí)，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系表達(dá)式同式(21)。 半橋變換電路半橋式電路顧名思義就是取掉橋式電路中的兩只開關(guān)管，半橋變換電路如圖24所示。電路的工作過(guò)程：VT1與VT2交替著導(dǎo)通，就能在變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓。通過(guò)改變兩個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，就可以改變變壓器二次側(cè)整流電壓Ud的平均值，就可以改變整流輸出電壓U0。當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，二極管V1處于通態(tài)；當(dāng)VT2導(dǎo)通時(shí)，二極管V2處于通態(tài)；當(dāng)VTVT2都關(guān)斷時(shí)，由于電路處于短路狀態(tài)，所以變壓器繞組N1中的電流為零，此時(shí)V1和V2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。VT1或VT2導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)電感L的電流逐漸上升；兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，通過(guò)電感L的電流逐漸下降。VT1和VT2處于斷開狀態(tài)時(shí)所承受的電壓最高為Ui。由于電容器CC2的隔離作用，對(duì)兩個(gè)開關(guān)由于導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量，半橋變換電路有著自動(dòng)平衡作用，因此不容易發(fā)生直流磁飽和與變壓器的偏磁。 圖24半橋電路原理圖 當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式為： (22) 半橋式開關(guān)電路省去兩只開關(guān)管，采用連接電容分壓方式，使開關(guān)管ce極電壓與橋式電路相同，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路也大為簡(jiǎn)化，只需兩組在時(shí)間軸上不重合的驅(qū)動(dòng)脈沖，兩組驅(qū)動(dòng)電路的參考點(diǎn)為各自開關(guān)管的發(fā)射極，顯然比橋式電路的形式簡(jiǎn)單得多。根據(jù)上述原理，當(dāng)采用相同規(guī)格開關(guān)管時(shí)，半橋式負(fù)載端電壓為1/2Uin，輸出功率為橋式電路的1/4。半橋式電路具有全橋式電路的所有優(yōu)勢(shì)，因此其應(yīng)用比全橋式更普遍。 正激變換電路 正激變換器電路原理圖如圖24所示。電路的工作過(guò)程如下：開關(guān)管VT開通后，變壓器一次側(cè)繞組N1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合二次側(cè)繞組N2兩端的電壓同樣是上正下負(fù)。因此二極管V1處于通態(tài)，二極管V2為斷態(tài)，通過(guò)電感L的電流逐步增大；VT關(guān)斷后，電感L通過(guò)V2續(xù)流，V1關(guān)斷。 圖25 正激變換器電路原理圖開關(guān)管VT關(guān)斷后，變壓器的激磁電流經(jīng)自身N3繞組和二極管V3流回電源，所以開關(guān)管VT關(guān)斷后所承受的電壓表達(dá)式為： (23) 此時(shí)要考慮變壓器磁心復(fù)位問(wèn)題。開關(guān)管VT開通后，變壓器的激磁電流由零始，隨著導(dǎo)通時(shí)間的增加而成線性的增長(zhǎng)直到開關(guān)管VT關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，就需要設(shè)法在開關(guān)管VT關(guān)斷后到下一次再開通的一段時(shí)間內(nèi)使激磁電流降回零，這一過(guò)程就稱為變壓器的磁心復(fù)位。 變壓器的磁心復(fù)位時(shí)間表達(dá)式為： (24)在電感電流連續(xù)的情況下，輸出電壓表示為： (25)輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輸出電壓U0將高于式(23)的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高。在負(fù)載為零的極限情況下，輸出電壓表達(dá)式為： (26) 反激變換電路反激變換器電路原理如圖56所示。反激電路中的變壓器T起著儲(chǔ)能元件的作用，可以看做是一對(duì)相互耦合的電感。 圖26 反激變換器電路原理圖 電路的工作過(guò)程：VT開通后，VD處于斷態(tài)，N1繞組的電流線性增長(zhǎng)，繞組電感儲(chǔ)能增加；VT關(guān)斷后，N1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過(guò)N2繞組和VD向輸出端釋放。VT關(guān)斷后的電壓為 （27）反激電路的工作模式分為電流連續(xù)模式和電流斷續(xù)模式。(1) 電流連續(xù)模式：當(dāng)VT開通時(shí)，N2繞組中的電流尚未下降到零。輸出電壓和輸入電壓關(guān)系見(jiàn)式(22)。(2) 電流斷續(xù)模式：VT開通前，N2繞組中的電流已下降到零。輸出電壓高于計(jì)算值,并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下, Uo→∞。因此反激電路不能工作于負(fù)載開路狀態(tài)。[1] 不同電路的特點(diǎn) 上述各種不同電路的特點(diǎn)比較如表21所示表21 各種電路比較電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激式電路比較簡(jiǎn)單，可靠性較高，成本低，驅(qū)動(dòng)電路操作簡(jiǎn)單變壓器單相激磁，利用率低百瓦~千瓦中小功率電源反激式 電路比較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性較高，可用操作簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路變壓器會(huì)出現(xiàn)單相激磁，利用率比較低瓦~千瓦計(jì)算機(jī)設(shè)備，小功率電子設(shè)備等全橋式 變壓器容易出現(xiàn)雙向激磁，很容易達(dá)到大功率 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低成