開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載三十八）單電容半橋式變壓器開關(guān)電源輸出電壓

圖1-41和圖1-42是單電容半橋式變壓器開關(guān)電源剛開始工作時(shí)輸出電壓和儲(chǔ)能電容充電時(shí)電容器兩端的電壓波形。這里我們分成兩種極端情況來進(jìn)行分析，圖1-41表示單電容半橋式開關(guān)電源變壓器勵(lì)磁電流為最大值時(shí)的極端情形;而圖1-42表示單電容半橋式開關(guān)電源變壓器勵(lì)磁電流為最小值時(shí)的極端情形。因此，在實(shí)際工作中的單電容半橋式變壓器開關(guān)電源，在剛開始工作的時(shí)候，其輸出電壓和儲(chǔ)能電容充電時(shí)電容器量端的電壓波形一定會(huì)介于圖1-41和圖1-42所包含的兩種結(jié)果之間。

由于單電容半橋式變壓器開關(guān)電源正常工作時(shí)，加到變壓器初級(jí)線圈兩端的電壓只有輸入電源電壓的二分之一，因此，在進(jìn)行變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)的時(shí)候不可能把變壓器的伏秒容量取得很大;當(dāng)加到變壓器初級(jí)線圈兩端的電壓高于正常工作電壓的兩倍時(shí)，在變壓器初級(jí)線圈中將會(huì)出現(xiàn)很大的勵(lì)磁電流，甚至?xí)棺儔浩麒F心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度接近飽和;在這種情況下，開關(guān)電源的反激輸出電壓就不能不考慮;當(dāng)變壓器次級(jí)線圈輸出電流基本為0或很小時(shí)，開關(guān)電源的輸出電壓主要就是反激輸出電壓與正激輸出電壓的和，并且兩者的半波平均值基本相等。圖1-41就是表示這種情形。

圖1-41-a)表示圖1-39單電容半橋式變壓器開關(guān)電源剛開始工作時(shí)，在變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流最大的情況下，輸出電壓(取半波平均值)和儲(chǔ)能電容充電時(shí)電容器兩端的波形;圖1-41-b)表示圖1-39單電容半橋式變壓器開關(guān)電源，在變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流最大的情況下，剛開始工作時(shí)儲(chǔ)能電容充電時(shí)電容器兩端的波形。

圖1-41-a)中，正半周電壓波形表示儲(chǔ)能電容充電時(shí)開關(guān)電源輸出的正激輸出電壓，負(fù)半周電壓波形表示儲(chǔ)能電容放電時(shí)開關(guān)電源輸出的反激輸出電壓和正激輸出電壓;但正激輸出電壓相對(duì)于反激輸出電壓來說，幅度很小，這是變壓器勵(lì)磁電流很大的緣故。圖1-41-a)中反激輸出電壓波形圖是根據(jù)(1-75)、(1-158)、(1-169)等式分析畫出來的。而圖1-41-b)中儲(chǔ)能電容器兩端的波形的波形圖是根據(jù)(1-164)到(1-169)等式分析畫出來的。

從圖1-41-a)可以看出，單電容半橋式變壓器開關(guān)電源剛開始工作的時(shí)候，正、反激輸出電壓的幅度很高，這是因?yàn)閮?chǔ)能電容器剛開始充電，儲(chǔ)能電容器兩端的電壓還很低，輸入電源電壓幾乎全部被加到變壓器初級(jí)線圈的兩端;并且此時(shí)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流很大，存儲(chǔ)的磁能量也很大。當(dāng)儲(chǔ)能電容器將要充滿電的時(shí)候，加到變壓器初級(jí)線圈兩端的電壓也將降低，最后基本穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上，就是輸入電源電壓的二分之一。

圖1-42也是單電容半橋式變壓器開關(guān)電源剛開始工作時(shí)輸出電壓和儲(chǔ)能電容充電時(shí)電容器兩端的電壓波形，不過，圖1-42表示的是單電容半橋式開關(guān)電源變壓器勵(lì)磁電流為最小值時(shí)的極端情形。在這種情形下，相當(dāng)于開關(guān)電源變壓器的伏秒容量必須取得足夠大，其勵(lì)磁電流才會(huì)足夠地小。

圖1-42-a)表示圖1-39單電容半橋式變壓器開關(guān)電源剛開始工作時(shí)，在變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流最小的情況下，輸出電壓(取半波平均值)和儲(chǔ)能電容充電時(shí)電容器兩端的波形;圖1-42-b)表示圖1-39單電容半橋式變壓器開關(guān)電源，在變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流最小的情況下，剛開始工作時(shí)儲(chǔ)能電容充電時(shí)電容器兩端的波形。

圖1-42-a)中，正半周電壓波形表示儲(chǔ)能電容充電時(shí)開關(guān)電源輸出的正激輸出電壓，負(fù)半周電壓波形表示儲(chǔ)能電容放電時(shí)開關(guān)電源輸出的反激輸出電壓和正激輸出電壓;但反激輸出電壓相對(duì)于正激輸出電壓來說，幅度很小，這是變壓器勵(lì)磁電流很小的緣故。圖1-42-a)中反激輸出電壓波形圖是根據(jù)(1-75)、(1-158)、(1-169)等式分析畫出來的。而圖1-42-b)中儲(chǔ)能電容器兩端的波形的波形圖是根據(jù)(1-164)到(1-169)等式分析畫出來的。

從圖1-42-a)可以看出，單電容半橋式變壓器開關(guān)電源剛開始工作的時(shí)候，輸出電壓的波形上下半周是不對(duì)稱的，上半周輸出電壓幅度很高，是因?yàn)閮?chǔ)能電容器剛開始充電，儲(chǔ)能電容器兩端的電壓還很低，輸入電源電壓幾乎全部被加到變壓器初級(jí)線圈的兩端;負(fù)半周輸出電壓幅度很低，是因?yàn)閮?chǔ)能電容器還沒有充滿電，儲(chǔ)能電容器放電的電壓很低。當(dāng)儲(chǔ)能電容器將要充滿電的時(shí)候，加到變壓器初級(jí)線圈兩端的電壓也將降低，最后基本穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上，就是輸入電源電壓的二分之一。

從原理上說，要經(jīng)過無限長的時(shí)間才能把圖1-39中的儲(chǔ)能電容充滿電，但在實(shí)際應(yīng)用中，一般都認(rèn)為儲(chǔ)能電容器充電的電壓達(dá)到其充滿電時(shí)的90%，即可認(rèn)為電容器已基本被充滿電。

在電容器的充電過程中，當(dāng)電容器充電的電壓達(dá)到最大電壓的90%時(shí)，其連續(xù)充電時(shí)間為2.3τ，這里τ為電容器充電的時(shí)間常數(shù)。但考慮到在圖1-39的電路中，電容器時(shí)一邊充電，一邊又放電，因此電容被充滿電的時(shí)間會(huì)很長，大約需要5τ時(shí)間左右。

這里我們再次指出，在單電容半橋式變壓器開關(guān)電源之中，電容充、放電都是按指數(shù)曲線或正、余弦曲線進(jìn)行，因此，輸出電壓波形不應(yīng)該是一個(gè)矩形波，而是一個(gè)波形的頂部按指數(shù)曲線變化的脈沖，但為了方便分析，我們這里還是采用半波平均值的方法來進(jìn)行分析。

另外，單電容半橋式變壓器開關(guān)電源同樣也存在反激式輸出，但單電容半橋式變壓器開關(guān)電源在正常工作狀態(tài)下，主要還是屬于正激式輸出電源，反激式輸出的能量相對(duì)比較小，因?yàn)?，單電容半橋式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流一般都取得很小。當(dāng)反激式輸出電壓迭加在正激式輸出電壓上面時(shí)，輸出電壓波形的前、后沿會(huì)出現(xiàn)脈沖尖峰，這一點(diǎn)特別值得注意。

對(duì)于整流輸出式的單電容半橋式變壓器開關(guān)電源，由于輸出端的儲(chǔ)能濾波電容時(shí)間常數(shù)很大，反激式輸出的脈沖尖峰很容易被儲(chǔ)能濾波電容吸收掉，整流之前輸出的電壓波形基本上就是圖1-41-a)或圖1-42-a)中正激輸出電壓的半波平均值波形。

順便說明，上面所謂的變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流最大或最小情況，這里是指變壓器初級(jí)線圈的伏秒容量比較小或非常大的情況，并不是指變壓器鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定要達(dá)到飽和。