開關(guān)電源原理與設(shè)計(連載三十五)交流輸出半橋式變壓器開關(guān)電源
上面的(1-162)和(1-163)式并沒有完全考慮,開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動勢對電容器C1和C2進(jìn)行反充電所產(chǎn)生的影響。當(dāng)開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動勢對電容器C1和C2進(jìn)行反充電時,相當(dāng)于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被電容器C1、C2存儲的電壓進(jìn)行限幅。因此,變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo中的反激式輸出電壓[uo],并不會像(1-162)和(1-163)算式所表達(dá)的結(jié)果那么高。
顯然變壓器次級線圈回路產(chǎn)生反電動勢的高低還與控制開關(guān)K1和K2交替接入的時間差有關(guān),與K1和K2的接入電阻的大小還有關(guān)。一般電子開關(guān),如晶體管或場效應(yīng)管,剛開始導(dǎo)通的時候也不能簡單地看成是一個開關(guān),它從截止到導(dǎo)通,或從導(dǎo)通到截止,都需要一個過渡過程,因此,它也會存在一定的開關(guān)損耗。
另外,根據(jù)(1-75)式:
Upa×Ton = Upa-×Toff —— 一個周期內(nèi) (1-75)
還可以知到,當(dāng)控制開關(guān)K1和K2的占空比均等于0.5時,變壓器正激輸出電壓的半波平均值Upa與反激輸出的半波平均值Upa-基本相等。因此,只有在控制開關(guān)K2接通與控制開關(guān)K1斷開兩者之間存在時間差時,變壓器次級線圈回路才會產(chǎn)生非常高的反電動勢;但當(dāng)控制開關(guān)K1和K2的占空比均小于0.5時,雖然反電動勢的幅度比較高,但由于正激式開關(guān)電源的勵磁電流一般都非常小(小于10%),其產(chǎn)生反電動勢的能量也很小。即:反電動勢脈沖的寬度很窄。
根據(jù)上面分析和(1-75)式可知,反電動勢(反激輸出電壓)的半波平均值還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正激電壓的半波平均值。
所以,(1-162)和(1-163)式所表示的結(jié)果,可看成是半橋式變壓器開關(guān)電源在輸出電壓中含有毛刺(輸出噪音)的表達(dá)式。
根據(jù)上面分析,在一般情況下,半橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo,主要還是由(1-158)、(1-159)、(1-161)等式來決定。即:半橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo,主要由開關(guān)電源變壓器次級線圈N2繞組輸出的正激電壓來決定。
圖1-37是圖1-36半橋式變壓器開關(guān)電源,在負(fù)載為純電阻,且兩個控制開關(guān)K1和K2的占空比D均等于0.5時,變壓器初、次級線圈各繞組的電壓、電流波形。
圖1-37-a)和圖1-37-b)分別表示控制開關(guān)K1接通時,開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓uab的波形,和流過變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流ic1的波形;圖1-37-c)和圖1-37-d)分別表示控制開關(guān)K2接通時,開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓uba的波形,和流過開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流ic2的波形;圖1-37-e)和圖1-37-f)分別表示控制開關(guān)K1和K2輪流接通時,開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組兩端輸出電壓uo的波形,和流過開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組兩端的電流波形。
從圖1-37-b)和圖1-37-d)中我們可以看出,當(dāng)控制開關(guān)K1或K2接通瞬間,流過變壓器初級線圈N1繞組的電流,其初始值并不等于0,而是產(chǎn)生一個電流突跳,這是因為變壓器次級線圈N2繞組中有電流流過的原因。
當(dāng)變壓器次級線圈N2繞組有負(fù)載電流流過時,其產(chǎn)生的磁通方向正好與流過變壓器次級線圈N1繞組勵磁電流產(chǎn)生的磁通方向相反,因此,流過變壓器初級線圈N1繞組的電流也要在原來勵磁電流的基礎(chǔ)上再增加一個電流,來抵消流過變壓器次級線圈N2繞組電流的影響。增加電流的大小等于流過變壓器次級線圈N2繞組電流的n倍,n為變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比。
從圖1-37-f)中我們可以看出,流過開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組兩端的電流波形是個矩形波,而不是三角波。這是因為半橋式變壓器開關(guān)電源同時存在正、反激電壓輸出的緣故。當(dāng)變壓器同時存在正、反激電壓輸出時,反激式輸出的電流是由最大值開始,然后逐漸減小到最小值,如圖中虛線箭頭所示;而正激式輸出的電流則是由最小值開始,然后逐漸增加到最大值,如圖中實線箭頭所示;因此,兩者同時作用的結(jié)果,正好輸出一個矩形波。
從圖1-37-e)還可以看出,輸出電壓uo由兩個部分組成,一部分為電容器C1或C2存儲的電壓Uc1或Uc2通過變壓器初級線圈N1繞組感應(yīng)到次級線圈N2繞組的正激式輸出電壓(uo),這個電壓的幅度比較穩(wěn)定,一般不會隨著時間變化而變化;另一部分為勵磁電流通過變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量產(chǎn)生的反激式輸出電壓[uo],這個電壓會使波形產(chǎn)生反沖,其幅度是時間的指數(shù)函數(shù),它會隨著時間增大而變變小。
這里還需指出,圖1-37-e)中的波形有上沖,在純電阻負(fù)載中是正常的,盡管在控制開關(guān)K1或K2接通瞬間,開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量有一部分要被電容器C1或C2吸收,待反電動勢的能量基本被吸收完后,電容器C1或C2才開始對變壓器初級線圈N1繞組供電。相當(dāng)于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被電容器C1、C2存儲的電壓進(jìn)行限幅。
但由于控制開關(guān)K1、K2在剛接通瞬間有比較大的電阻,因此,變壓器次級線圈N2繞組瞬間反激輸出電壓高于正激輸出電壓是肯定的。另外,如果兩個儲能分壓電容的容量取得比較小,電源輸出電壓uo也會受電容的充放電過程影響,即:輸出電壓受Uc1或Uc2的變化調(diào)制,此時波形的上沖現(xiàn)象顯得更為嚴(yán)重。
不過在大多數(shù)情況下,最好還是采用半波平均值的概念來進(jìn)行電路分析或計算,以免需要進(jìn)行復(fù)雜的指數(shù)函數(shù)運算。
在實際應(yīng)用中,為了防止變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢把開關(guān)器件擊穿,降低開關(guān)器件半導(dǎo)通狀態(tài)期間的損耗和半橋式變壓器開關(guān)電源輸出電壓波形的反沖幅度,一般可在圖1-36中兩個控制開關(guān),每個控制開關(guān)的兩端都并聯(lián)一個阻尼二極管,如圖1-38所示。
在圖1-38中,D1、D2為阻尼二極管,它們分別與控制開關(guān)K1、K2并聯(lián)。當(dāng)控制開關(guān)K1由接通轉(zhuǎn)換到關(guān)斷時,不管K2處于什么工作狀態(tài),接通或關(guān)斷,只要N1線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e1的幅度超過電容器C2兩端的電壓Uc2,二極管D2就會導(dǎo)通,相當(dāng)于感應(yīng)電動勢e1通過二極管D2被電容C2兩端的電壓Uc2進(jìn)行限幅,同時也相當(dāng)于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過電磁感應(yīng)被Uc2進(jìn)行限幅,而二極管D2對控制開關(guān)K2的工作幾乎不受影響。
同理,當(dāng)控制開關(guān)K2由接通轉(zhuǎn)換到關(guān)斷時,不管K1處于什么工作狀態(tài),只要N1線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e1的幅度超過電容器C1兩端的電壓Uc1,二極管D1就會導(dǎo)通,感應(yīng)電動勢e1就會通過二極管D1被電容器C1兩端的電壓Uc1進(jìn)行限幅,這也相當(dāng)于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過電磁感應(yīng)被Uc2進(jìn)行限幅,而二極管D2對控制開關(guān)K2的工作幾乎不受影響。
一般人們都把D1、D2稱為阻尼二極管,這是因為D1、D2沒有直接對輸出電壓uo進(jìn)行限幅,而是通過變壓器初、次級之間的感應(yīng)作用間接進(jìn)行的。實際應(yīng)用中,一般都在開關(guān)三極管的E-C或場效應(yīng)管的S-D兩個電極內(nèi)部封裝有一個阻尼二極管,其作用就是用來對輸出電壓反沖進(jìn)行阻尼用的。阻尼二極管D1、D2的另一個作用是防止變壓器初級線圈N1繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e1對控制開關(guān)K1、K2反向擊穿。