開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)(連載五十六)雙激式開關(guān)電源變壓器存在的風(fēng)險(xiǎn)

2-1-1-7.雙激式開關(guān)電源變壓器存在的風(fēng)險(xiǎn)

上面我們對(duì)雙激式開關(guān)電源變壓器工作原理進(jìn)行分析，都是考慮雙激式開關(guān)電源變壓器完全工作于理想的情況下而得出的結(jié)果。因此，圖2-6、圖2-7和(2-17)、(2-18)式的分析結(jié)果都是在理想的工作條件下進(jìn)行的。如果我們把雙激式開關(guān)電源變壓器的工作條件稍微變動(dòng)一下，我們將會(huì)看到，雙激式開關(guān)電源變壓器在一定的條件下，將會(huì)得出很壞的結(jié)果，即：雙激式開關(guān)電源變壓器在工作中存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。

我們先來看圖2-5和圖2-6，如果開關(guān)變壓器的鐵芯在這之前已經(jīng)被其它磁場(chǎng)磁化過，變壓器鐵芯中的磁通密度B正好停留在剩余磁通密度Br的位置上，那么，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)交流脈沖的正半周電壓加到圖2-5所示變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí)，在變壓器初級(jí)線圈中將有勵(lì)磁電流流過，并在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng);在磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用下，變壓器鐵芯中的磁通密度B將不會(huì)按圖2-6中磁化曲線e-f-a上升，而是按圖2-10中的磁化曲線b-g上升。

如果變壓器的伏秒容量原來是按(2-17)式來確定的，即變壓器鐵芯中的磁通密度的變化范圍等于最大磁通密度Bm的兩倍，即：ΔB = 2Bm;那么，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)交流脈沖的正半周電壓加到圖2-5所示變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí)，變壓器鐵芯中磁通密度的最大變化范圍應(yīng)該正好等于2Bm;由于變壓器鐵芯中的磁化過程是從上次剩余磁通密度Br的位置開始的，因此，變壓器鐵芯中新的最大磁通密度應(yīng)該達(dá)到Br+2Bm 。

由于在開關(guān)變壓器鐵芯中沒有預(yù)留防止磁飽和的氣隙，在一般情況下開關(guān)變壓器的伏秒容量都不會(huì)取得很大，如果根據(jù)圖2-6繼續(xù)延伸磁通密度的磁化曲線的長(zhǎng)度，使之達(dá)到Br+2Bm的高度，顯然此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)使磁通密度達(dá)到深度飽和。

圖2-10就是在圖2-6的基礎(chǔ)上，根據(jù)上面分析條件而繪制的磁化曲線圖。在圖2-10中，虛線表示的磁化曲線a-b-c-d-e-f-a，是開關(guān)變壓器鐵芯根據(jù)(2-17)式選定參數(shù)后所決定的磁滯回線圖。虛線線段d-a是開關(guān)變壓器鐵芯的理想磁化曲線，理想磁化曲線是一條斜率等于最大磁通密度增量與最大磁場(chǎng)強(qiáng)度增量之比，且經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線;當(dāng)直線不經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，這條直線稱為等效磁化曲線。由于磁通密度與輸入電壓對(duì)應(yīng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流對(duì)應(yīng)，因此，理想磁化曲線d-a亦可稱為變壓器輸入電壓與勵(lì)磁電流的理想負(fù)載曲線;等效磁化曲線亦可稱為等效負(fù)載曲線。

在正常情況下，當(dāng)有交流脈沖電壓輸入時(shí)，磁通密度B就會(huì)沿著理想磁化曲線d-a，由負(fù)最大值-Bm至正最大值Bm，然后，又由正最大值Bm至負(fù)最大值-Bm，來回地變化;對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H也是沿著理想磁化曲線d-a由負(fù)最大值-Hm至正最大值Hm，然后，又由正最大值Hm至負(fù)最大值-Hm，來回變化。

但當(dāng)變壓器鐵芯中的磁化過程是從上次剩余磁通密度Br的位置開始時(shí)，上面所分析的理想磁化過程將要被破壞，磁通密度B不會(huì)再沿著理想磁化曲線d-a進(jìn)行，而是沿著另一條新的等效磁化曲線進(jìn)行;這條新的等效磁化曲線應(yīng)該與原理想磁化曲線d-a平行，并且經(jīng)過Br點(diǎn)，圖2-10中虛線b-h就是這條新的等效磁化曲線的一部分。這里只畫出新等效磁化曲線的一半，另一半在圖2-10中沒有畫出。

圖2.10 在圖2-6的基礎(chǔ)上根據(jù)上面分析條件而繪制的磁化曲線圖

因此，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)交流脈沖的正半周電壓輸入時(shí)，如果開關(guān)變壓器的伏秒容量足夠大，磁通密度B將會(huì)沿著這條新的等效磁化曲線b-h進(jìn)行，由上次剩余磁通密度Br的位置開始向新的最大值Bh = Br+2Bm攀升。

但由于開關(guān)變壓器的伏秒容量并不足夠大到能保證磁通密度向新的最大值Bh線性增長(zhǎng)，即：在實(shí)際磁化過程中，磁通密度并沒有按新的等效磁化曲線b-h移動(dòng)，而是按另一條新的磁化曲線b-g(實(shí)線)移動(dòng);在這條新的磁化曲線b-g上，磁通密度B不可能會(huì)被磁場(chǎng)強(qiáng)度H磁化達(dá)到新的最大值Bh = Br+2Bm，因?yàn)?，磁通密度很早就出現(xiàn)飽和;不管磁場(chǎng)強(qiáng)度有多大，最大磁通密度只能磁化達(dá)到Bg值。

開關(guān)變壓器鐵芯出現(xiàn)磁飽和，意味著盡管變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流增加，或磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，但磁通密度不會(huì)隨著增加，即：磁通密度增量ΔB等于0，從而變壓器初級(jí)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也等于0，這會(huì)導(dǎo)致變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流無限大。

在大功率開關(guān)電源中，當(dāng)開關(guān)變壓器鐵芯出現(xiàn)飽和時(shí)，流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流將非常大，很容易使開關(guān)器件過流損壞;或者當(dāng)回路電流突然被切斷時(shí)，在開關(guān)變壓器的初、次級(jí)線圈中將會(huì)產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì)，使元器件過壓擊穿。

在雙激式變壓器開關(guān)電源中，開關(guān)器件第一次開始導(dǎo)通的時(shí)候，其相位相對(duì)于變壓器鐵芯磁滯回線的相位來說，一般都是隨機(jī)的。上面舉例，就是開關(guān)器件初始導(dǎo)通相位與變壓器鐵芯磁滯回線的初始相位發(fā)生錯(cuò)位最嚴(yán)重的情況。這種情況，在對(duì)雙激式變壓器開關(guān)電源進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要特別重視。

當(dāng)電源要停止工作的時(shí)候，最好按先后順序關(guān)斷電源;先關(guān)整流輸入電源，讓儲(chǔ)能濾波電容充分放完電，最后關(guān)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電源，讓電源開關(guān)管一直工作到最后，這相當(dāng)于每關(guān)斷一次電源，開關(guān)變壓器就要被退磁一次;下次開機(jī)的時(shí)候，變壓器鐵芯磁滯回線的初始相位總是從0開始。目前很多開關(guān)電源在遙控關(guān)機(jī)的時(shí)候，總是只關(guān)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電源，使電源開關(guān)管停止工作，從而達(dá)到關(guān)斷電源的目的，但這種關(guān)斷電源的方法存在比較大的工作風(fēng)險(xiǎn)。

另外，雙激式變壓器開關(guān)式穩(wěn)壓電源，其輸出電壓控制一般都是通過改變電源開關(guān)管的占空比，當(dāng)占空比改變的時(shí)候，加到變壓器兩端正、負(fù)半周電壓的伏秒容量肯定會(huì)發(fā)生變化，使變壓器正負(fù)半周的伏秒容量不相等，脈沖寬度大的半周要比脈沖寬度小的半周伏秒容量大;此時(shí)，流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電流中會(huì)含有直流分量，使磁滯回線產(chǎn)生偏移，即：變壓器的等效磁化曲線(等效負(fù)載曲線)出現(xiàn)上下平移。當(dāng)磁滯回線被移出安全區(qū)時(shí)，開關(guān)變壓器的鐵芯也會(huì)出現(xiàn)磁飽和。這種情況也需特別考慮。

順便指出，雙激式開關(guān)變壓器的伏秒容量與單激式開關(guān)變壓器的伏秒容量，雖然在概念上完全相同，但其所包含的內(nèi)容是有很大差別的。雙激式開關(guān)變壓器的伏秒容量是相對(duì)于交流脈沖電壓而言，而單激式開關(guān)變壓器的伏秒容量是相對(duì)于直流脈沖電壓而言。在兩者數(shù)值均相等的情況下，兩者對(duì)磁通密度增量ΔB的取值范圍卻完全不一樣。

例如：在同樣的伏秒容量條件之下，對(duì)于雙激式開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的計(jì)算，可根據(jù)(2-17)式求得，磁通密度增量ΔB的取值范圍是2Bm;而對(duì)于單激式開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的計(jì)算，可根據(jù)(2-16)式求得，磁通密度增量ΔB的取值范圍是(Bm-Br)。如果兩者的變壓器鐵芯都不留氣隙，并且兩者的最大磁通密度Bm取值都一樣，為3000高斯;那么，前者的磁通密度增量可達(dá)6000高斯，而后者的磁通密度增量一般只有500高斯左右。

由此可見，前者的磁通密度增量是后者的12倍。如果把雙激式開關(guān)變壓器當(dāng)成單激式開關(guān)變壓器來使用，勢(shì)必會(huì)損壞。實(shí)際上，當(dāng)開關(guān)器件初始導(dǎo)通相位與雙激式變壓器鐵芯磁滯回線的初始相位發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)位時(shí)，就相當(dāng)于雙激式變壓器被當(dāng)作單激式變壓器來使用。因此，采用單激式變壓器的設(shè)計(jì)方法來對(duì)單激式變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)，在使用中是最安全的。

目前很多大功率開關(guān)電源，特別是電視機(jī)開關(guān)電源，為了降低成本一般都不另外增設(shè)遙控開、關(guān)機(jī)輔助電源，電視機(jī)在待機(jī)的時(shí)候開關(guān)電源還是在工作的;為了降低待機(jī)功耗，開關(guān)電源在待機(jī)的時(shí)候，一般都是采用間歇工作的方式;開關(guān)電源工作于間歇，驅(qū)動(dòng)電路輸出的不是連續(xù)脈沖開關(guān)信號(hào)，而是間隔好幾個(gè)周期才輸出一組或幾組脈沖開關(guān)信號(hào);這種工作方式很容易造成電源開關(guān)管導(dǎo)通相位與變壓器鐵芯磁滯回線的相位互相錯(cuò)位，使開關(guān)變壓器出現(xiàn)磁飽和而損壞。因此，很多電視機(jī)電源起火都不是電視機(jī)正在正常接收電視節(jié)目的時(shí)候，而是電視機(jī)處于待機(jī)休息的時(shí)候。這種情況需要特別注意。