開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載五）反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源

1-3.反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源

1-3-1.反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源的工作原理

圖1-7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。這種反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源與一般串聯(lián)式開關(guān)電源的區(qū)別是，這種反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出的電壓是負(fù)電壓，正好與一般串聯(lián)式開關(guān)電源輸出的正電壓極性相反;并且由于儲(chǔ)能電感L只在開關(guān)K關(guān)斷時(shí)才向負(fù)載輸出電流，因此，在相同條件下，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出的電流比串聯(lián)式開關(guān)電源輸出的電流小一倍。

在一般電路中大部分都是使用單極性電源，但在一些特殊場(chǎng)合，有時(shí)需要兩組電源，其中一組為負(fù)電源。因此，選用圖1-7所示的反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源作為負(fù)電源是很方便的。

圖1-7中，Ui為輸入電源，K為控制開關(guān)，L為儲(chǔ)能電感，D為整流二極管，C為儲(chǔ)能濾波電容，R為負(fù)載電阻。當(dāng)控制開關(guān)K接通的時(shí)候，輸入電源Ui開始對(duì)儲(chǔ)能電感L加電，流過儲(chǔ)能電感L的電流開始增加，同時(shí)電流在儲(chǔ)能電感中也要產(chǎn)生磁場(chǎng);當(dāng)控制開關(guān)K由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時(shí)候，儲(chǔ)能電感會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，使電流繼續(xù)流動(dòng)，并通過整流二極管D進(jìn)行整流，再經(jīng)電容儲(chǔ)能濾波，然后向負(fù)載R提供電流輸出?？刂崎_關(guān)K不斷地反復(fù)接通和關(guān)斷過程，在負(fù)載R上就可以得到一個(gè)負(fù)極性的電壓輸出。

圖1-8、圖1-9、圖1-10分別是控制開關(guān)K的占空比D等于0.5、< 0.5、> 0.5時(shí)，圖1-7電路中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓和電流波形。圖1-8-a)、圖1-9-a)、圖1-10-a)分別為控制開關(guān)K輸出電壓uo的波形;圖1-8-b)、圖1-9-b)、圖1-10-b)分別為儲(chǔ)能濾波電容兩端電壓uc的波形;圖1-8-c)、圖1-9-c)、圖1-10-c)分別為流過儲(chǔ)能電感L電流iL的波形。應(yīng)該特別注意的是，圖1-8-c)、圖1-9-c)、圖1-10-c)中的電流波形按原理應(yīng)該取負(fù)值，但取負(fù)值后與前面圖1-5與圖1-6對(duì)比反而覺得不好對(duì)比和分析，因此，當(dāng)進(jìn)行具體計(jì)算時(shí)，一定要注意電流和電壓的方向。

在開關(guān)接通Ton期間，控制開關(guān)K接通，電源Ui開始對(duì)儲(chǔ)能電感L供電，在此期間儲(chǔ)能電感L兩端的電壓eL為：

eL = Ldi/dt = Ui —— K接通期間 (1-19)

對(duì)(1-19)式進(jìn)行積分得：

式中iL為流過儲(chǔ)能電感L電流的瞬時(shí)值，t為時(shí)間變量;i(0)為的初始電流，即：控制開關(guān)K接通瞬間之前，流過儲(chǔ)能電感L中的電流。當(dāng)開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時(shí)，i(0) = 0 ，由此可以求得流過儲(chǔ)能電感L的最大電流為：

iLm =Ui/L *Ton —— K關(guān)斷前瞬間 (1-21)

在開關(guān)關(guān)斷Toff期間，控制開關(guān)K關(guān)斷，儲(chǔ)能電感L把電流iLm轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢(shì)，通過整流二極管D繼續(xù)向負(fù)載R提供能量，在此期間儲(chǔ)能電感L兩端的電壓eL為：

eL = Ldi/dt = – Uo —— K關(guān)斷期間 (1-22)

式中–Uo前的負(fù)號(hào)，表示K關(guān)斷期間電感產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的方向與K接通期間電感產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的方向正好相反。對(duì)(1-22)式進(jìn)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。實(shí)際上(1-23)式中的i(Ton+)就是(1-21)式中的iLm，即：

i(Ton+) = iLm —— K關(guān)斷前瞬間 (1-24)

因此，(1-9)式可以改寫為：

iL =( Uo/L) *t + iLm —— K關(guān)斷期間 (1-25)

當(dāng)t = Toff時(shí)iL達(dá)到最小值。其最小值為：

iLX = (Uo/L)*Toff + iLm —— K接通前瞬間 (1-26)

反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓一般為負(fù)脈沖的幅值。當(dāng)開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時(shí)，流過儲(chǔ)能電感的初始電流i(0)等于0(參看圖1-8-a))，即：(1-26)式中流過儲(chǔ)能電感電流的最小值iLX等于0。因此，由(1-21)和(1-26)式，可求得反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為：

由(1-27)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(shí)間成正比，與開關(guān)關(guān)斷的時(shí)間成反比。

另外，從圖1-8可以看出，由于反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源，僅當(dāng)控制開關(guān)K關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)向負(fù)載提供能量。因此，當(dāng)占空比為0.5時(shí)，輸出電流的平均值Io為流過儲(chǔ)能電感電流最大值的四分之一;當(dāng)占空比小于0.5時(shí)，輸出電流的平均值Io小于流過儲(chǔ)能電感電流最大值的四分之一(圖1-9);當(dāng)占空比大于0.5時(shí)，輸出電流的平均值Io大于流過儲(chǔ)能電感電流最大值的四分之一(圖1-10)。