開關(guān)電源原理與設(shè)計（連載四十九）

2-1-1-1.脈沖序列對單激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁化

為了簡單起見，我們把單激式變壓器開關(guān)電源等效成如圖2-1所示電路，其中我們把直流輸入電壓通過控制開關(guān)通、斷的作用，看成是一序列直流脈沖電壓，即單極性脈沖電壓，直接給開關(guān)變壓器供電。這里我們特別把變壓器稱為開關(guān)變壓器，以表示圖2-1所示電路與一般電源變壓器電路在工作原理方面還有區(qū)別的。

在一般的電源變壓器電路中，當(dāng)電源變壓器兩端的輸入電壓為0時，表示輸入端是短路的，因為電源內(nèi)阻可以看作為0;而在開關(guān)變壓器電路中，當(dāng)開關(guān)變壓器兩端的輸入電壓為0時，表示輸入端是開路的，因為電源內(nèi)阻可以看作為無限大。

在圖2-1中，當(dāng)一組序列號為1、2、3、…的直流脈沖電壓分別加到開關(guān)變壓器初級線圈a、b兩端時，在開關(guān)變壓器的初級線圈中就會有勵磁電流流過，同時，在開關(guān)變壓器的鐵芯中就會產(chǎn)生磁場，在磁場強度為H的磁場作用下又會產(chǎn)生磁通密度為B的磁力線通量，簡稱磁通，用“Φ ”表示。

在變壓器鐵芯中，磁通密度B或磁通Φ 受磁場強度H的作用而發(fā)生變化的過程，稱為磁化過程;因此，用來描述磁通密度B與磁場強度H之間對應(yīng)變化的關(guān)系曲線，人們都把它稱為磁化曲線。圖2-2是單激式開關(guān)變壓器鐵芯被磁化時，磁通密度B與磁場強度H之間對應(yīng)變化的關(guān)系曲線圖。

順便指出，在分析變壓器鐵芯的磁化過程中，經(jīng)常使用磁通密度和磁感應(yīng)強度這兩個名稱，這兩個名稱在本質(zhì)上沒區(qū)別，互相可以通用，不同場合使用不同名稱，只是為了使用方便。

如果開關(guān)變壓器的鐵芯在這之前從來沒有被任何磁場磁化過，并且開關(guān)變壓器的伏秒容量足夠大，那么，當(dāng)?shù)谝粋€直流脈沖電壓加到變壓器初級線圈a、b兩端時，在變壓器初級線圈中將有勵磁電流流過，并在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁場。

在磁場強度H的作用下，變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強度B將會按圖2-2中0-1磁化曲線上升;當(dāng)?shù)谝粋€直流脈沖電壓將要結(jié)束時，磁場強度達到第一個最大值Hm1，同時磁感應(yīng)強度將會被磁場強度磁化到第一個最大值Bm1 ;由此產(chǎn)生一個磁感應(yīng)強度增量ΔB，ΔB = Bm1- 0 。磁感應(yīng)強度增加，表示流過變壓器初級線圈中的勵磁電流產(chǎn)生的磁場在對變壓器鐵芯進行充磁。

當(dāng)序列脈沖電壓加到開關(guān)變壓器初級線圈a、b兩端時，在變壓器鐵芯中會產(chǎn)生的磁場，這磁場完全是由流過變壓器初級線圈的勵磁電流產(chǎn)生的，流過變壓器初級線圈的勵磁電流為：

(2-8)式中， iμ為流過變壓器初級線圈的勵磁電流，E為加到變壓器初級線圈兩端的電壓，L1為變壓器初級線圈的電感量，t為時間， iμ(0)為初始電流，即t = 0時流過變壓器初級線圈的勵磁電流。

如果脈沖序列的占空系數(shù)(占空比)滿足磁化電流在后一個脈沖進入前下降為零，即開關(guān)電源工作于電流臨界連續(xù)或不連續(xù)狀態(tài)。

當(dāng)?shù)谝粋€直流脈沖結(jié)束以后，由于開關(guān)變壓器初級線圈開路，雖然流過變壓器初級線圈中的勵磁電流下降到零，但磁場強度H不會馬上下降到零;此時，變壓器的初、次級線圈會同時產(chǎn)生反電動勢，由于反電動勢的作用，在變壓器的初、次級線圈回路中都會有電流流過，這種回路電流屬于感應(yīng)電流，或稱感生電流。

當(dāng)?shù)谝粋€直流脈沖結(jié)束時，如果開關(guān)變壓器初級線圈不開路，反電動勢會對輸入電壓進行反充電;如果開關(guān)變壓器初級線圈是開路的，反電動勢會對初級線圈中的分布電容進行充放電，從而會在初級線圈內(nèi)部產(chǎn)生高頻振蕩。

由反電動勢產(chǎn)生的感應(yīng)電流會在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反向磁場，使變壓器鐵芯退磁，磁場強度H開始由第一最大值Hm1逐步下降到0;但變壓器鐵芯中的磁通密度B并不是按充磁時的0-1磁化曲線原路返回，跟隨磁場強度下降到零，而是按另一條新的磁化曲線1-2返回到2點;即：第一個剩余磁通密度Br1處。因此，人們都習(xí)慣地把磁通密度位于2點的值，稱為剩余磁通密度，或簡稱“剩磁”。變壓器鐵芯有剩磁說明變壓器鐵芯有記憶特性，這是鐵磁材料的基本特性。

——關(guān)于變壓器初、次級線圈會同時產(chǎn)生反電動勢對變壓器鐵芯進行退磁的概念，請參考第一章《1-5-1.單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理》部分的內(nèi)容