開關(guān)電源原理與設(shè)計（連載五十三）

2-1-1-4.脈沖序列對雙激式開關(guān)電源變壓器鐵心的磁化

雙激式變壓器與單激式變壓器的區(qū)別主要是兩者輸入電壓的參數(shù)不一樣。單激式變壓器輸入的電壓是單極性直流脈沖，而雙激式變壓器輸入的電壓是雙極性交流脈沖。為了簡單起見，我們把雙激式變壓器開關(guān)電源等效成如圖2-5所示電路。圖2-5與圖2-1所示電路的不同之處在于，圖2-1輸入電壓是直流脈沖方波，而圖2-5輸入電壓是交流脈沖電壓方波。因此，圖2-5所示電路與一般的變壓器電路在工作原理上沒有根本的區(qū)別。

在圖2-5中，當一系列序號為1、2、3、…的交流脈沖電壓方波分別加到變壓器初級線圈a、b兩端時，在開關(guān)變壓器的初級線圈中就會分別有兩個正、反方向的勵磁電流流過，同時，在開關(guān)變壓器的鐵芯中就會分別產(chǎn)生正、反兩個方向的磁場，在磁場強度為H的磁化作用下又會產(chǎn)生與磁場強度H對應(yīng)的磁通密度B或磁通Φ 。

圖2-6是雙激式開關(guān)變壓器鐵芯磁通密度B與磁場強度H之間的關(guān)系圖，或稱變壓器鐵芯磁化曲線圖或磁滯回線圖。之所以把圖2-6磁滯回線圖，是因為磁通密度B比磁場強度H滯后一個相位或者一段時間。

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?shù)谝粋€交流脈沖的正半周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，變壓器鐵芯中的磁通密度B將會按圖2-6中o-a磁化曲線上升;當脈沖電壓的正半周將要結(jié)束時，磁場強度到達最大值Hm，同時對應(yīng)的磁通密度也被磁化到最大值Bm。磁通密度在增加，表示流過變壓器初級線圈中的勵磁電流產(chǎn)生的磁場正在對變壓器鐵芯進行充磁。

第一個交流脈沖的正半周電壓結(jié)束后，雖然輸入電壓由正的最大值突然降到0 ，但流過變壓器初級線圈中的勵磁電流不能馬上下降到零，因此，磁場強度H也不會馬上下降到零;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，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開始由最大值Hm逐步退到0 。

但變壓器鐵芯中的磁通密度B卻不會跟隨磁場強度下降到零，由于變壓器鐵芯具有磁矯頑力，變壓器鐵芯鐵芯的磁化過程是不可逆的，因此磁通密度被退磁時并不是按充磁時的o-a磁化曲線原路返回，而是按另一條新的磁化曲線a-b返回到b點，即：剩余磁通密度Br處;因此，磁通密度位于b點的值，人們都習(xí)慣地把它稱為剩余磁通密度，或簡稱“剩磁”，用Br表示。

當輸入交流脈沖電壓由正半周轉(zhuǎn)換成負半周的時候，勵磁電流的方向也要改變，使變壓器鐵芯繼續(xù)進行退磁，磁通密度由b點沿著b-c磁化曲線繼續(xù)退磁到c點，此時，磁通密度雖然為零，但對應(yīng)的磁場強度并不為零，而是一個負值;當勵磁電流按相反的方向繼續(xù)增加時，磁通密度也相應(yīng)地按相反的方向沿著c-d磁化曲線繼續(xù)增加，此時，變壓器鐵芯由退磁轉(zhuǎn)變?yōu)楸环聪虺浯?當磁通密度沿著磁化曲線c-d增加到達d點時，對應(yīng)的磁場強度達到負的最大值-Hm，磁通密度也同時達到負的最大值-Bm 。

第一個交流脈沖的負半周電壓結(jié)束后，輸入電壓將由負的最大值突然降到0 ，但流過變壓器初級線圈中的勵磁電流不能馬上下降到零，因此，磁場強度H也不會馬上下降到零;同理，變壓器的初、次級線圈會同時產(chǎn)生反電動勢，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由負的最大值-Hm逐步退到0;由于變壓器鐵芯具有磁矯頑力，因此，磁通密度的下降并不是按充磁時的磁化曲線c-d原路返回到c，而是按另一條新的磁化曲線d-e返回到e點，即：負的剩余磁通密度-Br。

第一個交流脈沖結(jié)束后，第二個交流脈沖對變壓器鐵芯的磁化并沒有重復(fù)第一個交流脈沖的磁化過程。當?shù)诙€交流脈沖的正半周電壓到來時，磁通密度卻是從磁化曲線的e點-Br位置開始的，其對應(yīng)的磁場強度為0，然后磁通密度沿著磁化曲線e-f上升，經(jīng)過0后再沿著磁化曲線f-a升到最大值Bm，對應(yīng)的磁場強度為最大值Hm。

其余類推，每輸入一個正、負脈沖，磁通密度都會沿著磁化曲線e-f-a上升到最大值Bm，然后又沿著磁化曲線a-b-c-d下降到負的最大值-Bm 。

除了第一個交流脈沖，磁通密度由0經(jīng)過磁化曲線o-a上升到最大值Bm之外，后面任何一個電壓脈沖加于變壓器初級線圈a、b兩端，變壓器鐵芯被磁化，磁通密度都不會再經(jīng)過磁化曲線o-a。因此，圖2-6中磁化曲線o-a與圖2-4所示的磁化曲線B一樣，也叫初始磁化曲線或基本磁化曲線。

從圖2-6還可以看出，雖然磁通密度被磁場強度磁化的時候可以同時到達正、負最大值，但在磁場強度經(jīng)過零的時候，磁通密度與磁場強度總是出現(xiàn)一個相位差。

圖2-7是多個交流脈沖電壓連續(xù)加到變壓器初級線圈a、b兩端時，輸入脈沖電壓與變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通Φ對應(yīng)變化的曲線圖。

圖2-7-a)為輸入電壓各個交流脈沖之間的相位圖，圖2-7-b)為變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通Φ對應(yīng)各個輸入交流脈沖電壓變化的曲線圖;圖2-7-c)為變壓器鐵芯中磁場強度H對應(yīng)磁通密度B或磁通Φ和各個交流脈沖電壓之間變化的曲線圖。

從圖2-7-a)和圖2-7-b)可以看出，每輸入一個交流脈沖電壓，變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通Φ就要線性增長和下降一次，磁通密度變化的范圍是從負的最大值-Bm到正的最大值Bm，并且增長和下降的速率基本一樣。從圖2-7-c)可以看出，每輸入一個交流脈沖電壓，變壓器鐵芯中的磁場強度H也要增長和下降一次，但增長和下降的速率卻不一樣;增長的速度慢，而下降的速度快，這是因為變壓器初、次線圈產(chǎn)生的反電動勢與輸入電壓同時對變壓器鐵芯進行退磁的原因。

從圖2-7與圖2-3進行對比可以看出，雙激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁化過程，不會出現(xiàn)單激式開關(guān)電源變壓器鐵芯需要經(jīng)過多個輸入脈沖后，磁通密度B或磁通Φ增長的幅度與下降的幅度才能達到穩(wěn)定的情況。相對來說，雙激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁化過程達到穩(wěn)定需要的時間非常短;從輸入第一個脈沖開始，磁通密度B或磁通Φ增長的幅度與下降的幅度就基本一樣大;并且變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通Φ的增長或下降都是線性的;因為，輸入電壓正、負半周的幅度都相等，而輸入電壓正比于變壓器初級線圈的匝數(shù)與磁通對時間變化速率的乘積。

——輸入電壓與磁通變化的關(guān)系，請參考上面(2-13)和(2-14)式。