【正文】 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。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，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。，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。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。這個并聯(lián)電容不但可以提高電源的輸出電壓(相當于倍壓整流的作用)，還可以大大地減小整流二極管D1的損耗，提高工作效率。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。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。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 。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，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。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)生感應電動勢，并向負載提供輸出電壓。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強度由最大值Bm返回到剩磁所對應的磁感應強度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。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。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。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。正激式開關(guān)電源與反激式開關(guān)電源的區(qū)別不只是輸出電壓極性的不同，更重要的是變壓器的參數(shù)要求不一樣；在正激式開關(guān)電源中，反激式輸出電壓的能量與正激式輸出電壓的能量相比，一般都比較小，有時甚至可以忽略。正激式輸出電壓只與變壓器的輸入電壓和變壓器的初、次級線圈的匝數(shù)比有關(guān)，兩種電壓輸出機理是不完全一樣的。勵磁電流產(chǎn)生的磁通ф 雖然通過電磁感應會產(chǎn)生正激電壓，但不產(chǎn)生正激電流輸出，即：勵磁電流對正激式輸出電壓不提供功率輸出。如果(175)式中正激電壓沒有電流輸出，就不能把正激電壓看成是正激式輸出電壓，我們應該把它看成是反激式輸出電壓的一個過程，就是為反激式輸出電壓存儲能量。這是因為單激式開關(guān)電源一般都要求輸出電壓可調(diào)，即：通過改變控制開關(guān)的占空比來調(diào)整開關(guān)電源輸出電壓的大小。上面(173)、(174)、(175)式中，我們分別把Upa和Upa定義為正半波平均值和負半波平均值，簡稱半波平均值，而把Ua 和Ua 稱為一周平均值。理論上需要時間t等于無限大時，變壓器次級線圈回路輸出電壓才為0，但這種情況一般不會發(fā)生，因為控制開關(guān)K的關(guān)斷時間等不了那么長。對(164)式階微分方程求解得：式中C為常數(shù)，把初始條件代入上式，就很容易求出C，由于控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，變壓器初級線圈回路中的電流突然為0，而變壓器鐵心中的磁通量 不能突變，因此，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+)，與變壓器初級線圈回路中勵磁電流被折算到變壓器次級線圈回路電流之和。在Toff期間，控制開關(guān)K關(guān)斷，流過變壓器初級線圈的電流突然為0。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。圖116a中，在Ton期間，控制開關(guān)K接通，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N2繞組的兩端也會產(chǎn)生感應電動勢e2；感應電動勢e2作用于負載R的兩端，從而產(chǎn)生負載電流。順便指出，圖116b中變壓器輸出電壓波形極性的正負，是可以通過調(diào)整變壓器線圈的饒線方向(相位)來改變的。當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈也正好向負載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為正激式開關(guān)電源；當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關(guān)斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。當控制開關(guān)K接通的時候，直流輸入電壓Ui首先對變壓器T的初級線圈N1繞組供電，電流在變壓器初級線圈N1繞組的兩端會產(chǎn)生自感電動勢e1；同時，通過互感M的作用，在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會產(chǎn)生感應電動勢e2；當控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)的時候，電流在變壓器初級線圈N1繞組中存儲的能量(磁能)也會產(chǎn)生反電動勢e1；同時，通過互感M的作用，在變壓器次級線圈N2繞組中也會產(chǎn)生感應電動勢e2。而雙激式變壓器開關(guān)電源一般用于功率較大的電子設(shè)備之中，并且電路一般也要復雜一些。因此，變壓器開關(guān)電源也有人把它稱為離線式開關(guān)電源。，由于流過儲能濾波電感L的電流會不連續(xù)，電容器放電的時間將遠遠大于電容器充電的時間，因此，開關(guān)電源濾波輸出電壓的紋波將顯著增大。電容充電時，電容兩端的電壓由最小值充到最大值(絕對值)，相應的電壓增量為2ΔUc，由此求得電容器兩端的波紋電壓ΔUPP為：(158)和(159)式，就是計算并聯(lián)開關(guān)電源儲能濾波電容的公式(D = )。這里要特別注意的是，并聯(lián)式開關(guān)電源與反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中的儲能電感一樣，僅在控制開關(guān)K關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動勢向負載提供能量，因此，儲能濾波電容器充電的時間與放電的時間也不相等，電容器充電的時間小于半個工作周期，而電容器放電的時間則大于半個工作周期，但電容器充、放電的電荷是相等的，即電容器充電時的電流大于放電時的電流。由此求得：L =Ui*T/8Io —— D = (154)或：L Ui*T/8Io —— D = (155)(154)和(155)式，就是計算并聯(lián)式開關(guān)電源儲能電感的公式。雖然并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的幅度比輸入電壓可以提高，但其輸出電壓的平均值Ua與控制開關(guān)K的占空比D的大小無關(guān)，即：并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的平均值Ua永遠等于輸入電壓Ui 。實際上(147)式中的i(Ton+)就是(145)式中的iLm，因此，(19)式可以改寫為：當開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，流過儲能電感的初始電流i(0)等于0(參看圖113)，即：(149)式中流過儲能電感電流的最小值iLX等于0。eL反電動勢的方向與開關(guān)K關(guān)斷前的方向相反，但與電流的方向相同，因此，在控制開關(guān)K兩端的輸出電壓uo等于輸入電壓Ui與反電動勢eL之和。圖112中，Ui是開關(guān)電源的工作電壓，L是儲能電感，eL為電流iL在儲能電感兩端產(chǎn)生的反電動勢，K是控制開關(guān)，R是負載。因此，并聯(lián)式開關(guān)電源經(jīng)常用于高壓脈沖發(fā)生電路。i(0)= 0，由此可以求得流過儲能電感L的最大電流ILm為：ILm =Ui*Ton/L —— K接通期間(D = ) (137)式中Ton為控制開關(guān)K接通的時間。圖111a中Ui是開關(guān)電源的工作電壓，L是儲能電感，K是控制開關(guān)，R是負載。，由于流過儲能濾波電感L的電流會不連續(xù)，電容器放電的時間將遠遠大于電容器充電的時間，因此，開關(guān)電源濾波輸出電壓的紋波將顯著增大。電容充電時，電容兩端的電壓由最小值充到最大值(絕對值)，相應的電壓增量為2ΔUc，由此求得電容器兩端的波紋電壓ΔUPP為：(133)和(134)式，就是計算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲能濾波電容的公式(D = )。但要注意，濾波電容器充、放電的時間都不相等，濾波電容器充電的時間小于半個工作周期，而電容器放電的時間則大于半個工作周期，但電容器充、放電的電荷是相等的，即電容器充電時的電流大于放電時的電流。當儲能電感L的值小于(129)式的值時，流過濾波電感L的電流上升率將增大，如果流過濾波電感L的電流iL為連續(xù)電流，輸出電壓Uo將會升高；如果為了維持濾波輸出電壓Uo不變，則必須要把控制開關(guān)K占空比D減小，但占空比D的減小將會使流過儲能電感的電流iL出現(xiàn)不連續(xù)，從而使濾波輸出電壓Uo的電壓紋波增大。但須要特別注意，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中的儲能電感僅在控制開關(guān)K關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動勢向負載提供能量，因此，流過負載的電流比串聯(lián)式開關(guān)電源流過負載的電流小一倍，即：，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中流過負載R的電流Io只有流過儲能電感L最大電流iLm的四分之一。因此，由(121)和(126)式，可求得反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為：由(127)式可以看出，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓與輸入電壓與開關(guān)接通的時間成正比，與開關(guān)關(guān)斷的時間成反比。對(122)式進行積分得：式中i(Ton+)為控制開關(guān)K從Ton轉(zhuǎn)換到Toff的瞬間之前流過電感的電流，i(Ton+)也可以寫為i(Toff)，即：控制開關(guān)K關(guān)斷或接通瞬間，之前和之后流過電感L的電流相等。圖18a)、圖19a)、圖110a)分別為控制開關(guān)K輸出電壓uo的波形；圖18b)、圖19b)、圖110b)分別為儲能濾波電容兩端電壓uc的波形；圖18c)、圖19c)、圖110c)分別為流過儲能電感L電流iL的波形。圖17中，Ui為輸入電源，K為控制開關(guān)，L為儲能電感，D為整流二極管，C為儲能濾波電容，R為負載電阻。開關(guān)電源原理與設(shè)計反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源(05)五、 (連載05)反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源星期日, 04/19/2009 01:04 — 陶顯芳 13．反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源131．反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源的工作原理圖17是另一種串聯(lián)式開關(guān)電源，一般稱為反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源。順便說明，由于人們習慣上都是以輸出電壓的平均值為水平線，把電壓紋波分成正負兩部分，所以這里遵照習慣也把電容器充電或放電時的電壓增量分成兩部分，即：2ΔUc。圖16中，電容兩端的充放電曲線是有意把它的曲率放大了的，實際上它們的變化曲率并沒有那么大。在Ton期間，控制開關(guān)K接通，輸入電壓Ui通過控制開關(guān)K輸出電壓uo ，在輸出電壓uo的作用下，流過儲能濾波電感L的電流開始增大。圖16是串聯(lián)式開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，串聯(lián)式開關(guān)電源電路中各點電壓和電流的波形。因此，串聯(lián)式開關(guān)電源最好不要工作于圖14的電流不連續(xù)狀態(tài)，而最好工作于圖13和圖15表示的臨界連續(xù)電流和連續(xù)電流狀態(tài)。如果增大儲能濾波電感L的電感量，濾波輸出電壓Uo將小于濾波輸入電壓uo的平均值Ua，因此，在保證濾波輸出電壓Uo為一定值的情況下，勢必要增大控制開關(guān)K的占空比D，以保持輸出電壓Uo的穩(wěn)定；而控制開關(guān)K的占空比D增大，又將會使流過儲能濾波電感L的電流iL不連續(xù)的時間縮短，或由電流不連續(xù)變成電流連續(xù)，從而使輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUPP進一步會減小，輸出電壓更穩(wěn)定。因此，我們可以從臨界連續(xù)電流狀態(tài)著手進行分析。(3)當Ui開關(guān)電源原理與設(shè)計串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感的計算(03)三、 (連載03)串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感的計算星期四, 04/16/2009 09:14 — 陶顯芳 123．串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感的計算從上面分析可知，串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓Uo與控制開關(guān)的占空比D有關(guān)，還與儲能電感L的大小有關(guān)，因為儲能電感L決定電流的