開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載四十八）開關(guān)變壓器的工作原理

2-1-1.開關(guān)變壓器的工作原理

開關(guān)變壓器一般都是工作于開關(guān)狀態(tài);當(dāng)輸入電壓為直流脈沖電壓時(shí)，稱為單極性脈沖輸入，如單激式變壓器開關(guān)電源;當(dāng)輸入電壓為交流脈沖電壓時(shí)，稱為雙極性脈沖輸入，如雙激式變壓器開關(guān)電源;因此，開關(guān)變壓器也可以稱為脈沖變壓器，因?yàn)槠漭斎腚妷菏且恍蛄忻}沖;不過要真正較量起來的時(shí)候，開關(guān)變壓器與脈沖變壓器在工作原理上還是有區(qū)別的，因?yàn)殚_關(guān)變壓器還分正、反激輸出，這一點(diǎn)后面還將詳細(xì)說明。

設(shè)開關(guān)變壓器鐵芯的截面為S，當(dāng)幅度為U、寬度為τ的矩形脈沖電壓施加到開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈上時(shí)，在開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈中就有勵(lì)磁電流流過;同時(shí)，在開關(guān)變壓器的鐵芯中就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變壓器的鐵芯就會(huì)被磁化，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)作用下又會(huì)產(chǎn)生磁通密度為B的磁力線通量，簡(jiǎn)稱磁通，用“Φ ”表示;磁通密度B或磁通Φ受磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用而發(fā)生變化的過程，稱為磁化過程。所謂的勵(lì)磁電流，就是讓變壓器鐵芯充磁和消磁的電流。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理，電感線圈中的磁場(chǎng)或磁通密度發(fā)生變化時(shí)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

U=NdΦ/dt=NS*dB/dt (2-4)

式中，N為開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈的匝數(shù); Φ為變壓器鐵芯的磁通量;B為變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通密度平均值。

這里引進(jìn)磁通密度平均值的概念，是因?yàn)樽儔浩麒F芯中的磁通并不是均勻分布，磁通密度與鐵芯或鐵芯截面上的磁通實(shí)際分布有關(guān)。因此，在分析諸如變壓器的某些宏觀特性的時(shí)候，有時(shí)需要使用平均值的概念，以便處理問題簡(jiǎn)單。

從(2-4)式可知，磁通密度的變化以等速變化進(jìn)行，即：

dB/dt=U/NS (2-5)

假定磁通密度的初始值為B(0) = Bo(取t = 0)，當(dāng)t > 0時(shí)，磁通密度以線性規(guī)律增長(zhǎng)，磁通密度以線性規(guī)律增長(zhǎng)，即：

B=B0+U*t/NS (2-6)

當(dāng)t = τ時(shí)，即時(shí)間達(dá)到脈沖的后沿時(shí)，磁通密度達(dá)到最大值Bm = B(τ)。磁通密度增量(磁通密度初始值和最終值之差)∆B = B(τ)-B(0) = Bm-Bo 。

當(dāng)輸入電壓是一序列單極性矩形脈沖時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在變壓器鐵芯中將產(chǎn)生一個(gè)磁通密度增量與之對(duì)應(yīng)，即：

△B=U*τ/NS (2-7)

如果能忽略渦流影響，則磁場(chǎng)強(qiáng)度H的平均值取決于導(dǎo)磁體材料的性質(zhì)。變壓器初級(jí)線圈內(nèi)的磁化電流 的增長(zhǎng)與H成正比。在特性曲線的直線段內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁化電流Iμ 和磁通密度B都以線性變化。

脈沖電壓作用結(jié)束后( t > τ )，變壓器中的磁化電流將按變壓器的輸出電路特性，即電路參數(shù)確定的規(guī)律下降，變壓器鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度也相減弱，此時(shí)變壓器線圈內(nèi)產(chǎn)生反極性電壓，即反電動(dòng)勢(shì)。變壓器的輸出電路特性實(shí)際上就是第一章中已經(jīng)詳細(xì)介紹過的正、反激電壓輸出電路特性。

上面分析雖然都是以單極性脈沖輸入為例，但對(duì)雙極性脈沖輸入同樣有效;在方法上，只須把雙極性脈沖輸入看成是兩個(gè)單極性脈沖分別輸入即可。

開關(guān)電源變壓器分單激式開關(guān)電源變壓器和雙激式開關(guān)電源變壓器，兩種開關(guān)電源變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)并不是完全一樣的。單激式開關(guān)電源變壓器的輸入電壓是單極性脈沖，并且還分正反激電壓輸出;而雙激式開關(guān)電源變壓器的輸入電壓是雙極性脈沖，一般是雙極性脈沖電壓輸出。

另外，為了防止磁飽和，在單激式開關(guān)電源變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙;而雙激式開關(guān)電源變壓器的鐵芯磁通密度變化范圍相對(duì)來說比較大，一般不容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，因此，一般都不用留氣隙。

單激式開關(guān)電源變壓器還分正激式和反激式兩種，對(duì)兩種開關(guān)電源變壓器的技術(shù)參數(shù)要求也不一樣;對(duì)正激式開關(guān)電源變壓器的初級(jí)電感量要求比較大，而對(duì)反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)電感量的要求，其大小卻與輸出功率有關(guān)。

雙激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大，而單激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗卻比較小。這些參數(shù)基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關(guān)，因此，下面首先對(duì)變壓器鐵芯的磁化過程進(jìn)行詳細(xì)分析。