開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（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(jí)線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)對(duì)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(jí)線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電容器C1和C2進(jìn)行反充電時(shí)，相當(dāng)于變壓器次級(jí)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(chǔ)的電壓進(jìn)行限幅。因此，變壓器次級(jí)線圈N2繞組輸出電壓uo中的反激式輸出電壓[uo]，并不會(huì)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(jí)線圈回路產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的高低還與控制開關(guān)K1和K2交替接入的時(shí)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(chǎng)效應(yīng)管，剛開始導(dǎo)通的時(shí)候也不能簡(jiǎn)單地看成是一個(gè)開關(guān)，它從截止到導(dǎo)通，或從導(dǎo)通到截止，都需要一個(gè)過渡過程，因此，它也會(huì)存在一定的開關(guān)損耗。

另外，根據(jù)(1-75)式：

Upa×Ton = Upa-×Toff —— 一個(gè)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(shí)，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(shí)間差時(shí)，變壓器次級(jí)線圈回路才會(huì)產(chǎn)生非常高的反電動(dòng)勢(shì);但當(dāng)控制開關(guān)K1和K2的占空比均小于0.5時(shí)，雖然反電動(dòng)勢(shì)的幅度比較高，但由于正激式開關(guān)電源的勵(lì)磁電流一般都非常小(小于10%)，其產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的能量也很小。即：反電動(dòng)勢(shì)脈沖的寬度很窄。

根據(jù)上面分析和(1-75)式可知，反電動(dòng)勢(shì)(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(lái)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(jí)線圈N2繞組輸出的正激電壓來(lái)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(gè)控制開關(guān)K1和K2的占空比D均等于0.5時(shí)，變壓器初、次級(jí)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(shí)，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電壓uab的波形，和流過變壓器初級(jí)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(shí)，開關(guān)變壓器初級(jí)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(jí)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(shí)，開關(guān)變壓器次級(jí)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(jí)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(jí)線圈N1繞組的電流，其初始值并不等于0，而是產(chǎn)生一個(gè)電流突跳，這是因?yàn)樽儔浩鞔渭?jí)線圈N2繞組中有電流流過的原因。

當(dāng)變壓器次級(jí)線圈N2繞組有負(fù)載電流流過時(shí)，其產(chǎn)生的磁通方向正好與流過變壓器次級(jí)線圈N1繞組勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通方向相反，因此，流過變壓器初級(jí)線圈N1繞組的電流也要在原來(lái)勵(lì)磁電流的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)電流，來(lái)抵消流過變壓器次級(jí)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(jí)線圈N2繞組電流的n倍，n為變壓器次級(jí)線圈N2繞組與初級(jí)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(jí)線圈N2繞組兩端的電流波形是個(gè)矩形波，而不是三角波。這是因?yàn)榘霕蚴阶儔浩鏖_關(guān)電源同時(shí)存在正、反激電壓輸出的緣故。當(dāng)變壓器同時(shí)存在正、反激電壓輸出時(shí)，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(shí)線箭頭所示;因此，兩者同時(shí)作用的結(jié)果，正好輸出一個(gè)矩形波。

從圖1-37-e)還可以看出，輸出電壓uo由兩個(gè)部分組成，一部分為電容器C1或C2存儲(chǔ)的電壓Uc1或Uc2通過變壓器初級(jí)線圈N1繞組感應(yīng)到次級(jí)線圈N2繞組的正激式輸出電壓(uo)，這個(gè)電壓的幅度比較穩(wěn)定，一般不會(huì)隨著時(shí)間變化而變化;另一部分為勵(lì)磁電流通過變壓器初級(jí)線圈N1繞組存儲(chǔ)的磁能量產(chǎn)生的反激式輸出電壓[uo]，這個(gè)電壓會(huì)使波形產(chǎn)生反沖，其幅度是時(shí)間的指數(shù)函數(shù)，它會(huì)隨著時(shí)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(jí)線圈N1繞組存儲(chǔ)的磁能量有一部分要被電容器C1或C2吸收，待反電動(dòng)勢(shì)的能量基本被吸收完后，電容器C1或C2才開始對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1繞組供電。相當(dāng)于變壓器次級(jí)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(chǔ)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(jí)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(gè)儲(chǔ)能分壓電容的容量取得比較小，電源輸出電壓uo也會(huì)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(shí)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(lái)進(jìn)行電路分析或計(jì)算，以免需要進(jìn)行復(fù)雜的指數(shù)函數(shù)運(yùn)算。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)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(gè)控制開關(guān)，每個(gè)控制開關(guān)的兩端都并聯(lián)一個(gè)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(shí)，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(dòng)勢(shì)e1的幅度超過電容器C2兩端的電壓Uc2，二極管D2就會(huì)導(dǎo)通，相當(dāng)于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1通過二極管D2被電容C2兩端的電壓Uc2進(jìn)行限幅，同時(shí)也相當(dāng)于變壓器次級(jí)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(duì)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(shí)，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(dòng)勢(shì)e1的幅度超過電容器C1兩端的電壓Uc1，二極管D1就會(huì)導(dǎo)通，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1就會(huì)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(jí)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(duì)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?yàn)镈1、D2沒有直接對(duì)輸出電壓uo進(jìn)行限幅，而是通過變壓器初、次級(jí)之間的感應(yīng)作用間接進(jìn)行的。實(shí)際應(yīng)用中，一般都在開關(guān)三極管的E-C或場(chǎng)效應(yīng)管的S-D兩個(gè)電極內(nèi)部封裝有一個(gè)阻尼二極管，其作用就是用來(lái)對(duì)輸出電壓反沖進(jìn)行阻尼用的。阻尼二極管D1、D2的另一個(gè)作用是防止變壓器初級(jí)線圈N1繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1對(duì)控制開關(guān)K1、K2反向擊穿。