【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 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 2 4 是正激式變壓器開關(guān)電源的簡(jiǎn)單工作原理圖，圖 2 4 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 2 4 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)變壓器長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 初線圈或次級(jí)線圈的同名端弄反，圖 2 4 就不再是正激式變壓器開關(guān)電源了。 圖 24 正激式變壓器開關(guān)電源電路圖 我們可知，改變控 制開關(guān) K的占空比 D，只能改變輸出電壓的平均值 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 2 4 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 22 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。 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 2 4 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長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 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。 反激式變壓器開關(guān)電源工作原理 反激式變壓器開關(guān)電源工作原理比較簡(jiǎn)單，輸出電壓控制范圍比較大，因此，在一般電器設(shè)備中應(yīng)用最廣泛。 圖 25 反激式變壓器開關(guān)電源電路圖 所謂反激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈沒(méi)有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。 圖 25a 是反激式變壓器開關(guān)電源的簡(jiǎn)單工作原理圖，圖 25a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)， C 是儲(chǔ)能濾波電容， R是負(fù)載電阻。圖 25b是反激式變壓器開關(guān)電源的電壓輸出波形。 把圖 25a 與圖 24a 進(jìn) 行比較，如果我們把圖 25a 中開關(guān)變壓器次級(jí)線圈的同名端對(duì)調(diào)一下，原來(lái)變壓器輸出電壓的正、負(fù)極性就會(huì)完全顛倒過(guò)來(lái)，圖 25b 所示的電壓輸出波形基本上就是從圖 25b 的波形顛倒過(guò)來(lái)的 。不過(guò) ，因?yàn)閳D 25b 的波形對(duì)應(yīng)的是純電阻負(fù)載，而圖 25b 的負(fù)載是一個(gè)儲(chǔ)能濾波電容和一個(gè)電阻并聯(lián)。由于儲(chǔ)能濾波電容的容量很大，其兩端電壓基本不變，變壓器次級(jí)線圈輸出電壓 uo相當(dāng)于被整流二極管和輸出電壓 Uo進(jìn)行限幅，因此，圖 25b 中輸出電壓 uo的脈沖尖峰完全被削除，被限幅后的剩余電壓幅值正好等于輸出電壓 Uo 的最大 值 Up，同時(shí)也等 于變壓器次級(jí)線圈輸出電壓 uo的半波平均值 Upa。 雙端 式變壓器開關(guān)電源 u o Upa Ua Ton Toff T 0 Upa Up Uo Ua Up t b 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 所謂 雙端 式變壓器開關(guān)電源，就是指在一個(gè)工作周期之內(nèi)，變壓器的初級(jí)線圈分別被直流電壓正、反激勵(lì)兩次。與單激式變壓器開關(guān)電源不同， 雙端 式變壓器開關(guān)電源一般在整個(gè)工作周期之內(nèi)，都向負(fù)載提供功率輸出。 雙端 式變壓器開關(guān)電源輸出功率一般都很大，因此，雙端 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(dá) 300瓦以上，甚至可以超過(guò) 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） 推挽式變壓器開關(guān)電源 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(gè)控制開關(guān) K1和 K2輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對(duì)稱，并且開關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)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。 （ 2） 半橋式變壓器開關(guān)電源 半橋式變壓器開關(guān)電源也屬于雙激式變壓器開關(guān)電源，從原理上來(lái)說(shuō)，半橋式變壓器開關(guān)電源也屬于推挽式變壓器開關(guān)電源，它是多種推挽式變壓器開關(guān)電源家庭成員之一。在半橋式變壓器開關(guān)電源中，也是兩個(gè)控制開關(guān) K1和 K2輪流交替工作，開關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)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。 由于半橋式變壓器開關(guān)電源的兩個(gè)開關(guān)器件工作電壓只有輸入電壓的一半，因此，半橋式變壓器開關(guān)電源比較適用于工作電壓比較高的場(chǎng)合。 圖 26是交流輸出半橋 式變壓器開關(guān)電源的工作原理圖。圖中， K K2是兩個(gè)控制開關(guān)，它們工作的時(shí)候，總是一個(gè)接通，另一個(gè)關(guān)斷，兩個(gè)控制開關(guān)輪流交替工作；電容器 C C2是儲(chǔ)能濾波電容，同時(shí)也是電源分壓電容，它們把電源電壓一分為二；一個(gè)充滿電的電容，我們可以把它看成是一個(gè)電源，因此，我們可以把電容器 C C2看成是兩個(gè)電源串聯(lián)對(duì)變壓器負(fù)載供電； T為開關(guān)變壓器， N1為變壓器的初級(jí)線圈， N2為變壓器的次級(jí)線圈， Ui為直流輸入電壓， R為負(fù)載電阻； uo 為輸出電壓， io為流過(guò)負(fù)載的電流。 從圖 26原理圖中可以看出，電容器 C1和 C2與控制開 關(guān) K1和 K2正好組成一個(gè)電橋的長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 兩臂，變壓器作為負(fù)載被跨接于電橋兩臂的中間。但由于電容器 C1和 C2的參數(shù)或電壓基本上沒(méi)有跟隨控制開關(guān) K1和 K2的導(dǎo)通和截止同步變動(dòng)，并且在實(shí)際應(yīng)用中為了節(jié)省成本，經(jīng)常只使用一個(gè)電容器 C1 或 C2，因此，我們把圖 26 的電路稱為半橋式開關(guān)電源電路，或半橋式變壓器開關(guān)電源。 圖 26中，電容器 C C2首先要被輸入電源 Ui充電，兩個(gè)充滿電的電容器相當(dāng)于兩個(gè)電源串聯(lián)。當(dāng)控制開關(guān) K1接通時(shí)，電容器 C1兩端的電壓被加到變壓器初級(jí)線圈 N1繞組的 a、b 兩端，電容器 C1將通過(guò)變壓器初級(jí)線圈 N1繞 組進(jìn)行放電；同時(shí)，由于互感的作用在變壓器次級(jí)線圈 N2繞組的兩端也會(huì)輸出一個(gè)與 N1繞組輸入電壓成正比的電壓，并加到負(fù)載 R的兩端，使開關(guān)電源輸出一個(gè)正半周電壓。 當(dāng)控制開關(guān) K1 由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時(shí)，控制開關(guān) K2 則由關(guān)斷轉(zhuǎn)為接通，電容器 C2 兩端的電壓被加到變壓器初級(jí)線圈 N1繞組的 b、 a兩端，電容器 C2也將通過(guò)變壓器初級(jí)線圈 N1繞組進(jìn)行放電；同理，由于電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級(jí)線圈 N2 繞組的兩端也會(huì)輸出一個(gè)與N1繞組輸入電壓成正比的電壓，并加到負(fù)載 R的兩端，使開關(guān)電源輸出一個(gè)負(fù)半周電壓。 由于電容器 C1放電電流的方向正 好與電容器 C2放電電流的方向相反，因此，在變壓器次級(jí)線圈 N2繞組的兩端輸出電壓 uo是一個(gè)脈沖寬度與控制開關(guān) K1（或 K2）接通時(shí)間對(duì)應(yīng)的方波。 由于輸入電源 Ui 直接與串聯(lián)電容器 C1 和 C2 連接在一起，因此，在任一時(shí)刻，當(dāng)一個(gè)電容器在進(jìn)行放電的時(shí)候，另一個(gè)電容器就會(huì)進(jìn)行充電，兩個(gè)電容器充、放電的電荷總是相等。 圖 26 半橋式變壓器開關(guān)電源 半橋式變壓器開關(guān)電源與推挽式變壓器開關(guān)電源一樣，由于兩個(gè)開關(guān)管輪流交替工作，長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 相當(dāng)于兩個(gè)開關(guān)電源同時(shí)輸出功率，其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此，半橋式變壓 器開關(guān)電源輸出功率很大，工作效率很高，經(jīng)橋式整流或全波整流后，輸出電壓的電壓脈動(dòng)系數(shù) Sv和電流脈動(dòng)系數(shù) Si都很小，僅需要很小的濾波電感和電容，其輸出電壓紋波和電流紋波就可以達(dá)到非常小。 半橋式變壓器開關(guān)電源最大的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)兩個(gè)開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變壓器開關(guān)電源對(duì)兩個(gè)開關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。因?yàn)椋霕蚴阶儔浩鏖_關(guān)電源兩個(gè)開關(guān)器件的工作電壓只有輸入電源 Ui的一半，其最高耐壓等于工作電壓與反電動(dòng)勢(shì)之和，大約是電源電壓的兩倍，這個(gè)結(jié)果正好是推挽式變壓器開關(guān)電源兩個(gè)開關(guān)器件耐壓的一半。因此，半橋式變壓器 開關(guān)電源主要用于輸入電壓比較高的場(chǎng)合，一般電網(wǎng)電壓為交流 220伏供電的大功率開關(guān)電源大部分都是用半橋式變壓器開關(guān)電源。半橋式開關(guān)電源的變壓器初級(jí)線圈只需要一個(gè)繞組，這也是它的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)小功率開關(guān)電源變壓器的線圈繞制多少帶來(lái)一些方便。但對(duì)于大功率開關(guān)電源變壓器的線圈繞制沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?，大功率開關(guān)電源變壓器的線圈需要用多股線來(lái)繞制。 半橋式變壓器開關(guān)電源的缺點(diǎn)主要是電源利用率比較低，因此，半橋式變壓器開關(guān)電源不適宜用于工作電壓較低的場(chǎng)合。另外，半橋式變壓器開關(guān)電源中的兩個(gè)開關(guān)器件連接沒(méi)有公共地，與驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接比 較麻煩。 半橋式開關(guān)電源最大的缺點(diǎn)是，當(dāng)兩個(gè)控制開關(guān) K1和 K2 處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時(shí)候，兩個(gè)開關(guān)器件會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)很短時(shí)間的半導(dǎo)通區(qū)域，即兩個(gè)控制開關(guān)同時(shí)處于接通狀態(tài)。這是因?yàn)殚_關(guān)器件在開始導(dǎo)通的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)電容充電，它從截止?fàn)顟B(tài)到完全導(dǎo)通狀態(tài)需要一個(gè)過(guò)渡過(guò)程；而開關(guān)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)電容放電，它從導(dǎo)通狀態(tài)到完全截止?fàn)顟B(tài)也需要一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。 當(dāng)兩個(gè)開關(guān)器件分別處于導(dǎo)通和截止過(guò)渡過(guò)程時(shí)，即兩個(gè)開關(guān)器件都處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)控制開關(guān)同時(shí)接通，它們會(huì)造成對(duì)電源電壓 產(chǎn)生短路；此時(shí)，在兩個(gè)控制開關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個(gè)電流并沒(méi)有通過(guò)變壓器負(fù)載。因此，在兩個(gè)控制開關(guān) K1和 K2同時(shí)處于過(guò)渡過(guò)程期間，兩個(gè)開關(guān)器件將會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗。為了降低控制開關(guān)過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生的損耗，一般在半橋式開關(guān)電源電路中，都有意讓兩個(gè)控制開關(guān)的接通和截止時(shí)間錯(cuò)開一小段時(shí)間。 單電容半橋式變壓器開關(guān)電源比雙電容半橋式變壓器開關(guān)電源節(jié)省一個(gè)電容器，這是它長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 的優(yōu)點(diǎn)。另外，單電容半橋式變壓器開關(guān)電源剛開始工作的時(shí)候，輸出電壓差不多比雙電容半橋式變壓器開關(guān)電源是輸出電壓高一倍，這種特點(diǎn)最適用于作為 熒光燈電源，例如，節(jié)能燈或日光燈以及 LCD顯示屏的背光燈等。 （ 3） 全橋式變壓器開關(guān)電源 全橋式變壓器開關(guān)電源也屬于雙激式變壓器開關(guān)電源。它同時(shí)具有推挽式變壓器開關(guān)電源電壓利用率高，又具有半橋式變壓器開關(guān)電源耐壓高的特點(diǎn)。因此，全橋式變壓器開關(guān)電源經(jīng)常用于工作電壓高，輸出大功率大的場(chǎng)合。 開關(guān)電源的 效率分析 現(xiàn)在的電源對(duì)于效率的要求越來(lái)越高了，從節(jié)能方面的要求講也是希望提高效率，但是效率提高的隨之帶來(lái)的是成本的提高，所以在效率與成本的權(quán)衡下選擇效率提高的方式，下面簡(jiǎn)單介紹一下開關(guān)電源中提高效率的方 法 。 開關(guān)損耗 開關(guān)電源中的開關(guān)損耗占得比重是很大的，包括開關(guān)元器件 MOSFET 和次級(jí) Diode 的開關(guān)損耗，所以為了減小開關(guān)損耗，我們可以通過(guò)更改 Mosfet 的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。使 Mosfet的上升速度和下降速度比較快，這個(gè)樣子可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗的減小。另外 Mosfet 的選取也是比較重要的，我們應(yīng)該選取一些極間寄生電容比較小的 Mosfet，這樣子也是可以提高開關(guān)速度。對(duì)于次級(jí) Diode 的選取的話，我們可以通過(guò)選取一些 Trr 短的二極管，肖特基二極管。另外影響開關(guān)損耗的另一個(gè)關(guān)鍵的因素是變壓器的漏感， 如果可能的情況下，我們可以通過(guò)減小變壓器的漏感來(lái)減小整個(gè)開關(guān)電源的開關(guān)損耗。還有就是開關(guān)電源工作的時(shí)候，我們應(yīng)該設(shè)計(jì)的回路，盡可能的減小磁滯回線包含的面積，這個(gè)樣子也能減小開關(guān)電源的損耗，提高效率。還有就是選用諧振模式或者準(zhǔn)諧振模式的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一樣可以減少開關(guān)損耗 。 導(dǎo)通損耗 由于各個(gè)元器件并不是理想的元器件，所以工作的時(shí)候都有壓降，這個(gè)過(guò)程中就產(chǎn)生了導(dǎo)通損耗 。 對(duì)于 Mosfet 來(lái)說(shuō)，他有個(gè)閾值電壓，當(dāng) Gs 電壓大于閾值電壓時(shí)，就認(rèn)為 Mosfet打開了，但是我們要讓他們工作在過(guò)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)樣 子能減小通態(tài)電阻，減小導(dǎo)通損耗