開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載二十六）雙激式變壓器開關(guān)電源

1-8.雙激式變壓器開關(guān)電源

所謂雙激式變壓器開關(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，雙激式變壓器開關(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。雙激式變壓器開關(guān)電源輸出功率一般都很大，因此，雙激式變壓器開關(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。

1-8-1.推挽式變壓器開關(guān)電源的工作原理

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。

1-8-1-1.交流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源

一般的DC/AC逆變器，如交流不間斷電源(簡稱UPS)，大多數(shù)都是采用推挽式變壓器開關(guān)電源電路。這種DC/AC逆變器工作頻率很高，所以體積可以做得非常小;由于這個(gè)特點(diǎn)，推挽式變壓器開關(guān)電源也經(jīng)常用于AC/AC轉(zhuǎn)換電路中，以減小電源變壓器的體積。

圖1-27是交流輸出純電阻負(fù)載推挽式變壓器開關(guān)電源的簡單原理圖。圖中，K1、K2是兩個(gè)控制開關(guān)，它們工作的時(shí)候，一個(gè)接通，另一個(gè)關(guān)斷，兩個(gè)開關(guān)輪流接通和關(guān)斷，互相交替工作;T為開關(guān)變壓器，N1、N2為變壓器的初級(jí)線圈，N3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為流過負(fù)載的電流。

圖1-27中，當(dāng)控制開關(guān)K1接通時(shí)，電源電壓Ui通過控制開關(guān)K1被加到變壓器初級(jí)線圈N1繞組的兩端，通過電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級(jí)線圈N3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，此時(shí)電源電壓Ui被加到變壓器初級(jí)線圈N2繞組的兩端，通過互感在變壓器次級(jí)線圈N3繞組的兩端也輸出一個(gè)與N2繞組輸入電壓成正比的電壓uo，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。

由于電源電壓Ui加到變壓器初級(jí)線圈N1繞組和N2兩端產(chǎn)生磁通的方向正好相反，所以在負(fù)載上可得到一個(gè)與線圈N1、N2繞組所加電壓對(duì)應(yīng)的正、負(fù)極性電壓uo。正半周對(duì)應(yīng)的是K1接通時(shí)，N1繞組與N3繞組互相感應(yīng)的輸出電壓;負(fù)半周對(duì)應(yīng)的是K2接通時(shí)，N2繞組與N3繞組互相感應(yīng)的輸出電壓。

下面我們進(jìn)一步詳細(xì)分析推挽式變壓器開關(guān)電源的工作原理。

圖1-27中，當(dāng)控制開關(guān)K1接通時(shí)，輸入電源Ui開始對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1繞組加電，電流從變壓器初級(jí)線圈N1繞組的兩端經(jīng)過，通過電磁感應(yīng)會(huì)在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場，并產(chǎn)生磁力線;同時(shí)，在初級(jí)線圈N1繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)e1，在次級(jí)線圈N3繞組的兩端也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e3;感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e3作用于負(fù)載R的兩端，從而產(chǎn)生負(fù)載電流。因此，在初、次級(jí)電流的共同作用下，在變壓器的鐵心中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由流過變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的合成磁場，這個(gè)磁場的大小可用磁力線通量(簡稱磁通量)，即磁力線的數(shù)目Φ 來表示。

如果用 Φ1來表示變壓器初級(jí)線圈N1繞組電流產(chǎn)生的磁通量，用 Φ3來表示變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通量，由于變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁場方向總是相反，則在控制開關(guān)K1接通期間，由流過變壓器初、次級(jí)線圈電流在變壓器鐵心中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量為：

Φ= Φ1- Φ3 —— K1接通期間 (1-125)

其中變壓器初級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通 Φ1還可以分成兩個(gè)部分，一部分用來抵消變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通 Φ3，記為 10，另一部分是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通，記為ΔΦ 1。顯然 Φ10 =- Φ3，ΔΦ 1 = Φ 。即：變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量，只與流過變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流有關(guān)，與流過變壓器次級(jí)線圈中的電流無關(guān);流過變壓器次級(jí)線圈中的電流產(chǎn)生的磁通，完全被流過變壓器初級(jí)線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1繞組回路列出方程：

e1 = N1dΦ/dt = Ui —— K1接通期間 (1-126)

同樣，可以對(duì)變壓器次級(jí)線圈N3繞組回路列出方程：

e3 = N3 dΦ/dt =(Up)—— K1接通期間 (1-127)

上式中，(Up)為開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組正激輸出電壓的幅值，用括弧匡住來表示。由于流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組的勵(lì)磁電流是線性變化的，所以我們可認(rèn)為開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組正激輸出電壓是一個(gè)方波。方波的幅值Up與半波平均值Upa以及有效值Uo三者完全相等。

根據(jù)(1-126)和(1-127)可以求得：

(Up)= e3 =ne1 =nUi —— K1接通期間 (1-128)

(1-128)式就是推挽式變壓器開關(guān)電源正激輸出時(shí)的電壓關(guān)系式。上式中，(Up)為開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組正激輸出電壓的幅值，Ui為開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1繞組的輸入電壓;n為變壓比，即：開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓與初級(jí)線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組與初級(jí)線圈N1繞組的匝數(shù)比，即：n = N3/N1。

由此可知，在控制開關(guān)K1接通期間，推挽式變壓器開關(guān)電源變壓器次級(jí)正激輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級(jí)變壓比有關(guān)。

同理我們也可以求得，當(dāng)控制開關(guān)K2接通時(shí)，開關(guān)變壓器N3線圈繞組正激輸出電壓的幅值(Up-)為：

(Up-)= -e3 =-ne2 = -nUi —— K2接通期間 (1-129)

上式中的負(fù)號(hào)表示e3的符號(hào)與(1-128)式中的符號(hào)相反，(Up-)表示與(Up)的極性相反。

這里還需指出，(1-128)式和(1-129)式列出的計(jì)算結(jié)果，并沒有考慮控制開關(guān)K1或K2關(guān)斷瞬間，勵(lì)磁電流存儲(chǔ)的能量也會(huì)通過變壓器的次級(jí)線圈N3繞組產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)(反激式輸出)的影響，即：推挽式變壓器開關(guān)電源同時(shí)存在正、反激電壓輸出。

反激式電壓產(chǎn)生的原因是因?yàn)镵1或K2接通瞬間變壓器初級(jí)或次級(jí)線圈中的電流初始值不等于零，或磁通的初始值不等于零。即：推挽式變壓器開關(guān)電源中反激式電壓的產(chǎn)生是由變壓器勵(lì)磁電流存儲(chǔ)的能量產(chǎn)生的。