【正文】 器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負載特性，相對來說比較好，因此，工作比較穩(wěn)定，輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動，在一些對輸出電壓參數(shù)要求比較高的場合，經(jīng)常使用。161．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)變壓器的初級線圈正在被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈正好有功率輸出。圖117是正激式變壓器開關(guān)電源的簡單工作原理圖，圖117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是儲能濾波電感，C是儲能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，R是負載電阻。在圖117中，需要特別注意的是開關(guān)變壓器初、次級線圈的同名端。如果把開關(guān)變壓器初線圈或次級線圈的同名端弄反，圖117就不再是正激式變壓器開關(guān)電源了。我們從(176)和(177)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116b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117中，儲能濾波電感L和儲能濾波電容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12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工作原理，請參看“12．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)電源有一個最大的缺點，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、次線圈繞組都會產(chǎn)生很高的反電動勢，這個反電動勢是由流過變壓器初線圈繞組的勵磁電流存儲的磁能量產(chǎn)生的。因此，在圖117中，為了防止在控制開關(guān)K關(guān)斷瞬間產(chǎn)生反電動勢擊穿開關(guān)器件，在開關(guān)電源變壓器中增加一個反電動勢能量吸收反饋線圈N3繞組，以及增加了一個削反峰二極管D3。反饋線圈N3繞組和削反峰二極管D3對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)電動勢通過二極管D3可以對反電動勢進行限幅，并把限幅能量返回給電源，對電源進行充電；另一方面，流過反饋線圈N3繞組中的電流產(chǎn)生的磁場可以使變壓器的鐵心退磁，使變壓器鐵心中的磁場強度恢復(fù)到初始狀態(tài)。由于控制開關(guān)突然關(guān)斷，流過變壓器初級線圈的勵磁電流突然為0，此時，流過反饋線圈N3繞組中的電流正好接替原來勵磁電流的作用，使變壓器鐵心中的磁感應(yīng)強度由最大值Bm返回到剩磁所對應(yīng)的磁感應(yīng)強度Br位置，即：流過反饋線圈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)電動勢在對電源進行充電的同時，流過反饋線圈N3繞組中的電流也在對變壓器鐵心進行退磁。圖118是圖117中正激式變壓器開關(guān)電源中幾個關(guān)鍵點的電壓、電流波形圖。圖118a)是變壓器次級線圈N2繞組整流輸出電壓波形，圖118b)是變壓器次級線圈N3繞組整流輸出電壓波形，圖118c)是流過變壓器初級線圈N1繞組和次級線圈N3繞組的電流波形。圖117中，在Ton期間，控制開關(guān)K接通，輸入電源Ui對變壓器初級線圈N1繞組加電，初級線圈N1繞組有電流i1流過，在N1兩端產(chǎn)生自感電動勢的同時，在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也同時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并向負載提供輸出電壓。開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓大小由(163)、(169)、(176)、(177)等式給出，電壓輸出波形如圖118a)。圖118c)是流過變壓器初級線圈電流i1的波形。流過正激式開關(guān)電源變壓器的電流與流過電感線圈的電流不同，流過正激式開關(guān)電源變壓器中的電流有突變，而流過電感線圈的電流不能突變。因此，在控制開關(guān)K接通瞬間流過正激式開關(guān)電源變壓器的電流立刻就可以達到某個穩(wěn)定值，這個穩(wěn)定電流值是與變壓器次級線圈電流大小相關(guān)的。如果我們把這個電流記為i10，變壓器次級線圈電流為i2，那么就是：i1= n i2 ，其中n為變壓器次級電壓與初級電壓比。另外，流過正激式開關(guān)電源變壓器的電流i1除了i10之外還有一個勵磁電流，我們把勵磁電流記為?i1。從圖118c)中可以看出，?i1就是i1中隨著時間線性增長的部份，勵磁電流?i1由下式給出：?i1 = Ui*t/L1 —— K接通期間 (180)當(dāng)控制開關(guān)K由接通突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷瞬間，流過變壓器初級線圈的電流i1突然為0，由于變壓器鐵心中的磁通量ф 不能突變，必須要求流過變壓器次級線圈回路的電流也跟著突變，以抵消變壓器初級線圈電流突變的影響，要么，在變壓器初級線圈回路中將出現(xiàn)非常高的反電動勢電壓，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、次級線圈就會產(chǎn)生無限高的反電動勢，反電動勢又會產(chǎn)生無限大的電流，而電流又會抵制磁通的變化，因此，變壓器鐵心中的磁通變化，最終還是要受到變壓器初、次級線圈中的電流來約束的。因此，控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷，變壓器初級線圈回路中的電流突然為0時，變壓器次級線圈回路中的電流i2一定正好等于控制開關(guān)K接通期間的電流i2(Ton+)，與變壓器初級線圈勵磁電流?i1被折算到變壓器次級線圈的電流之和。但由于變壓器初級線圈中勵磁電流?i1被折算到變壓器次級線圈的電流?i1/n的方向與原來變壓器次級線圈的電流i2(Ton+)的方向是相反的，整流二極管D1對電流?i1/n并不導(dǎo)通，因此，電流?i1/n只能通過變壓器次級線圈N3繞組產(chǎn)生的反電動勢，經(jīng)整流二極管D3向輸入電壓Ui進行反充電。在Ton期間，由于開關(guān)電源變壓器的電流的i10等于0，變壓器次級線圈N2繞組回路中的電流i2自然也等于0，所以，流過變壓器次級線圈N3繞組中的電流，只有變壓器初級線圈中勵磁電流?i1被折算到變壓器次級線圈N3繞組回路中的電流i3 (等于?i1/n)，這個電流的大小是隨著時間下降的。一般正激式開關(guān)電源變壓器的初級線圈匝數(shù)與次級反電動勢能量吸收反饋線圈N3繞組的匝數(shù)是相等的，即：初、次級線圈匝數(shù)比為：1 ：1 ，因此，?i1 = i3 。圖118c)中，i3用虛線表示。圖118b)正激式開關(guān)電源變壓器次級反電動勢能量吸收反饋線圈N3繞組的電壓波形。這里取變壓器初、次級線圈匝數(shù)比為：1 ：1，因此，當(dāng)次級線圈N3繞組產(chǎn)生的反電動勢電壓超過輸入電壓Ui時，整流二極管D3就導(dǎo)通，反電動勢電壓就被輸入電壓Ui和整流二極管D3進行限幅，并把限幅時流過整流二極管的電流送回供電回路對電源或儲能濾波電容進行充電。精確計算電流i3的大小，可以根據(jù)(180)式以及下面方程式求得，當(dāng)控制開關(guān)K關(guān)閉時：e3 = －L3*di/dt = －Ui —— K接通期間 (181)i3 = －(Ui*Ton/nL1) Ui*t/L3 —— K關(guān)斷期間 (182)上式中右邊的第一項就是流過變壓器初級線圈N1繞組中的最大勵磁電流被折算到次級線圈N3繞組中的電流，第二項是i3中隨著時間變化的分量。其中n為變壓器次級線圈與初級線圈的變壓比。值得注意的是，變壓器初、次級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(182)式可以看出，變壓器次級線圈N3繞組的匝數(shù)增多，即：L3電感量增大，變壓器次級線圈N3繞組的電流i3就變小，并且容易出現(xiàn)斷流，說明反電動勢的能量容易釋放完。因此，變壓器次級線圈N3繞組匝數(shù)與變壓器初級線圈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，即：L1等于L3時，上式可以變?yōu)椋篿3 =Ui(Tont)/L3 —— K接通期間 (183)(183)式表明，當(dāng)變壓器初級線圈N1繞組的匝數(shù)與次級線圈N3繞組的匝數(shù)相等時，電流i3是不連續(xù)的；，電流i3為臨界連續(xù)；，電流i3為連續(xù)電流。這里順便說明，在圖117中，最好在整流二極管D1的兩端并聯(lián)一個高頻電容(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)斷瞬間變壓器次級線圈產(chǎn)生的高壓反電動勢能量，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還沒導(dǎo)通前，它會通過放電(與輸出電壓串聯(lián))的形式向負載提供能量。這個并聯(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，它還會降低反電動勢的電壓上升率，對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”。開關(guān)電源原理與設(shè)計正激式變壓器開關(guān)電源電路參數(shù)的計算(15)十四、 (連載14)正激式變壓器開關(guān)電源的優(yōu)缺點星期五, 05/01/2009 15:45 — 陶顯芳 162．正激式變壓器開關(guān)電源的優(yōu)缺點為了表征各種電壓或電流波形的好壞，一般都是拿電壓或電流的幅值、平均值、有效值、一次諧波等參量互相進行比較。在開關(guān)電源之中，電壓或電流的幅值和平均值最直觀，因此，我們用電壓或電流的幅值與其平均值之比，稱為脈動系數(shù)S；也有人用電壓或電流的有效值與其平均值之比，稱為波形系數(shù)K。因此，電壓和電流的脈動系數(shù)Sv、Si以及波形系數(shù)Kv、Ki分別表示為：Sv = Up/Ua —— 電壓脈動系數(shù) (184)Si = Im/Ia —— 電流脈動系數(shù) (185)Kv =Ud/Ua —— 電壓波形系數(shù) (186)Ki = Id/Ia —— 電流波形系數(shù) (187)上面4式中，Sv、Si、Kv、Ki分別表示：電壓和電流的脈動系數(shù)S，和電壓和電流的波形系數(shù)K，在一般可以分清楚的情況下一般都只寫字母大寫S或K。脈動系數(shù)S和波形系數(shù)K都是表征電壓或者電流好壞的指標(biāo)，S和K的值，顯然是越小越好。S和K的值越小，表示輸出電壓和電流越穩(wěn)定，電壓和電流的紋波也越小。正激式變壓器開關(guān)電源正好是在變壓器的初級線圈被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈向負載提供功率輸出，并且輸出電壓的幅度是基本穩(wěn)定的，此時盡管輸出功率不停地變化，但輸出電壓的幅度基本還是不變，這說明正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說比較好；只有在控制開關(guān)處于關(guān)斷期間，功率輸出才全部由儲能電感和儲能電容兩者同時提供，此時輸出電壓雖然受負載電流的影響，但如果儲能電容的容量取得比較大，負載電流對輸出電壓的影響也很小。另外，由于正激式變壓器開關(guān)電源一般都是選取變壓器輸出電壓的一周平均值，儲能電感在控制開關(guān)接通和關(guān)斷期間都向負載提供電流輸出，因此，正激式變壓器開關(guān)電源的負載能力相對來說比較強，輸出電壓的紋波比較小。如果要求正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓有較大的調(diào)整率，在正常負載的情況下，，此時流過儲能濾波電感的電流才是連續(xù)電流。當(dāng)流過儲能濾波電感的電流為連續(xù)電流時，負載能力相對來說比較強。，正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓uo的幅值正好等于電壓平均值Ua的兩倍，流過濾波儲能電感電流的最大值Im也正好是平均電流Io(輸出電流)的兩倍，因此，正激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流的脈動系數(shù)S都約等于2，而與反激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流的脈動系數(shù)S相比，差不多小一倍，說明正激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流輸出特性要比反激式變壓器開關(guān)電源好很多。正激式變壓器開關(guān)電源的缺點也是非常明顯的。其中一個是電路比反激式變壓器開關(guān)電源多用一個大儲能濾波電感，以及一個續(xù)流二極管。此外，正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度，相對于反激式變壓器開關(guān)電源來說要低很多，這個從(177)和(178)式的對比就很明顯可以看出來。因此，正激式變壓器開關(guān)電源要求調(diào)控占空比的誤差信號幅度比較高，誤差信號放大器的增益和動態(tài)范圍也比較大。另外，正激式變壓器開關(guān)電源為了減少變壓器的勵磁電流，提高工作效率，變壓器的伏秒容量一般都取得比較大(伏秒容量等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積，這里用US來表示)，并且為了防止變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢把開關(guān)管擊穿，正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器要比反激式變壓器開關(guān)電源的變壓器多一個反電動勢吸收繞組，因此，正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積要比反激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積大。正激式變壓器開關(guān)電源還有一個更大的缺點是在控制開關(guān)關(guān)斷時，變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢電壓要比反激式變壓器開關(guān)電源產(chǎn)生的反電動勢電壓高。因為一般正激式變壓器開關(guān)電源工作時，而反激式變壓器開關(guān)電源控制開關(guān)的占空比都取得比較小。正激式變壓器開關(guān)電源在控制開關(guān)關(guān)斷時，變壓器初級線圈兩端產(chǎn)生的反電動勢電壓是由流過變壓器初級線圈的勵磁電流產(chǎn)生的。因此，為了提高工作效率和降低反電動勢電壓的幅度，盡量減小正激式開關(guān)電源變壓器初級線圈的勵磁電流是值得考慮的。，在控制開關(guān)關(guān)斷時刻，電源變壓器初級會產(chǎn)生反電動勢，反電動勢產(chǎn)生的電流方向與輸入電壓Ui產(chǎn)生的電流方向相同，因此，控制開關(guān)兩端的電壓正好等于輸入電壓Ui與反電動勢Up之和，即：Ukp = Ui＋Up —— K關(guān)斷期間 (188)式中Ukp為控制開關(guān)關(guān)斷時刻，控制開關(guān)兩端的電壓；Up為變壓器初級線圈產(chǎn)生反電動勢電壓的峰值。根據(jù)(168)式和圖116b可知，Up一般都大于輸入電壓Ui，因此Ukp大于兩倍Ui。一般正激式變壓器開關(guān)電源都設(shè)置有一個反電動勢能量吸收回路，如圖117中的變壓器反饋線圈N3繞組和整流二極管D3，此時，反電動勢電壓的峰值一般都被限幅到輸入電壓Ui的值，如果不考慮變壓器初、次級線圈的漏感，則(188)式可以改寫為：Ukp = 2Ui —— 帶限幅電路 (189)這個電壓對于電源開關(guān)管來說是很高的。例如電源輸入電壓為交流220伏，經(jīng)整流濾波后其最大值就是311伏，根據(jù)(189)式可求得Uk = 622伏；如果輸入電壓為交流253伏(177。15%)，那么，可以求得Ukp = 715伏，這還不算變壓器初級線圈漏感產(chǎn)生的反電動勢電壓。一般圖117中的變壓器反饋線圈N3繞組和整流二極管D3，對變壓器初級線圈N1繞組漏感產(chǎn)生的反電動勢電壓是無法進行吸收的，這一點需要特別注意。為了吸收變壓器初級線圈N1繞組漏感產(chǎn)生的反電動勢，在變壓器初級線圈回路中還要專門設(shè)置一個反電動勢吸收電路，這一方面內(nèi)容后面還要更詳細介紹。一般電源開關(guān)管的耐壓都在650伏左右，因此，正激式變壓器開關(guān)電源在輸入電壓為交流220伏的設(shè)備中很少使用，或者用兩個電源開關(guān)管串聯(lián)來使用。由于正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說比較好，因此，目前在