漏電感對正激和反激式開關(guān)電源的影響及設(shè)計(jì)方法

1 引言

漏電感在開關(guān)電源主回路中一定存在，尤其在變壓器、電感器等中都是不可避免的。過去在討論中一般把它略而不計(jì)，設(shè)計(jì)中更無從考慮。現(xiàn)在隨著開關(guān)電源的單機(jī)容量和整機(jī)容量的日益提高，這個參數(shù)影響到開關(guān)電源主要的參數(shù)，例如，40A/5V輸出的開關(guān)電源，電壓損失竟達(dá)20%，還影響到開關(guān)電源的重量和效率。因此，漏電感問題討論、研究已擺到日程上了。加上脈沖電壓VS(t)到變壓器線圈就產(chǎn)生電流，沿著鐵心磁徑產(chǎn)生閉合的主磁通Φ(t)和部分路徑在鐵心附近的空氣中閉合的漏磁通Φσ(t)。Φ(t)和Φσ(t)將在線圈分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e(t)和eσ(t)，兩者之和加上電阻壓降與外加電壓相平衡，遵從KVL方程。過去，一般書刊略去eσ(t)， KVL方程簡化為Vs(t)=Δt 。

2 反激式變換器的漏電感

反激式變換器線路如圖一所示。反激工作原理可參見文獻(xiàn)[1]。它的變壓器是一定需加氣隙的，這樣才能使整個線路工作得到良性循環(huán)。其等效電路如圖二所示(折算到副邊繞組)。 WP1表示反激式變換器的變壓器空氣隙中儲存的能量，該繞組電感LP1折算到副邊繞組電感L’P1很小(≈LP1/n2)可以略去。Lσ表示NP與NS間的漏電感;LS1、LP1分別表示副、原繞組的電感;Lσ的作用很明顯是延緩了副邊電壓電流的建立，其電流波形見圖三，引起的電壓的損失(或效率的損失)如陰影部分所示。

如是副邊雙電壓輸出，存在另一繞組S2、D2和R2時，則其等效電路如圖四所示。

這時把原邊和第二個副邊繞組均折算至副邊的第一個繞組。 Lσ1表示LP與LS間的漏電感;Lσ2表示副邊第一繞組與第二繞組間的漏電感;LS1、L’S2為副邊第一、二繞組電感;L’S2、U’S、Lσ2為折算值，此時V0=V1’。兩組輸出電壓的大小，決定于R1、R2及LS1、Lσ2+L’S2等四個方面，設(shè)t2時開關(guān)晶體管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止，能量WP1轉(zhuǎn)移至LS1、L’S2，電流延緩增長情形將如圖五所示。

這時瞬時值，并按下式進(jìn)行電流分配：

(1)

(2)

如果設(shè)計(jì)時，I1為主輸出電流，要求穩(wěn)壓精度高，I2輸出功率小，穩(wěn)壓精度次之，那么參數(shù)選擇I1為閉環(huán)調(diào)節(jié)量。當(dāng)I1 / I2發(fā)生變化時，按I1情況要求穩(wěn)定電壓V1而進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后V1的穩(wěn)壓是不成問題的，但是V2穩(wěn)壓精度將作出犧牲。電壓損失值可計(jì)算如下[2]：

(3)

式中：

3 正激式變換器的漏電感

雙晶體管正激式變換器主電路如圖六所示。工作原理可參見文獻(xiàn)[1]。如果副邊雙輸出電壓，假設(shè)為如文獻(xiàn)[1]指出： VS’的建立，D3的導(dǎo)通，受制于變壓器和副邊電路的漏電感。設(shè)S1、S2關(guān)斷期間，原來D4導(dǎo)通，IL1續(xù)流狀態(tài)。從這一狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镾1、S2導(dǎo)通時，D3電流建立，相應(yīng)D4電流的減少，經(jīng)過iD3、 iD4二者相等階段至iD3 = IL1時，D4完全關(guān)斷，D3開始輸出能量到負(fù)載。第二個副繞組也有相似過程。這種輸送能量的延遲，隨漏感而定，一般在0.5μS到若干μS內(nèi)就建立。但是在低電壓大電流傳遞時，漏感影響電流的建立非常明顯，甚至占了全導(dǎo)通期間的相當(dāng)比例。如果變壓器設(shè)計(jì)太差，漏感值太大，會導(dǎo)致不能輸送所需電源功率。因?yàn)樵陉P(guān)斷期間大部分原邊繞組儲能反饋回電源VS中，形成能量在開關(guān)管、二極管間流動，產(chǎn)生毫無意義的能量損耗。這種開關(guān)工作正常，開關(guān)電源帶不起負(fù)載現(xiàn)象的根本原因就是設(shè)計(jì)問題和變壓器漏電感問題。[!--empirenews.page--]

正激式變換器等效電路如圖七所示(列方程時，忽略二極管的壓降)，電路是等效到主輸出繞組5V上。 Lσ1表示原邊繞組與副邊主輸出繞組間的漏電感;LP’表示原邊繞組折算到副邊主輸出繞組間的漏電感;Lσ2為主輸出繞組與12V輸出繞組間的漏電感;折算時均以5V的N1為匝數(shù)為基準(zhǔn)。

3.1 漏電感對一個輸出電壓時影響

在S1、S2閉合時，LP’上加上VS’電壓，經(jīng)耦合，使LS1、 L1上電流上升，由于Lσ1的漏感作用，使IL1延緩上升，但iD3+ iD4=IL1，電流IL1線性上升所需時間t1可依下式計(jì)算：

(4)

在t1初期，雖然V12= VS’，但在漏電感引起延遲對應(yīng)的伏-秒值VS’ t1即為輸出電壓的損失，在一個周期平均值定義為電壓損失ΔV1：(如圖八陰影部分所示)

(5)

由式(5)可知損失電壓與IL1成正比。

從能量的反饋過程來看，tc是由于漏電感作用時使電流延緩下降，在電流下降中，Lσ1 、LP’上的電壓反向，Lσ1上能量耦合至LP’并經(jīng)D1 、D2反饋回電壓源VS’，這樣就把儲存在漏電感Lσ1和勵磁電感LP’的儲能送回到輸入端。例如，設(shè)計(jì)一個開關(guān)頻率為50kHz的開關(guān)電源，采用EC-52型號的鐵心，用AWG#19線在線架上繞4層作為原邊繞組，用AWG#18線8條并聯(lián)繞6圈作為副繞組。制作中沒有用三明治繞法，線圈布置是先繞原邊繞組，在作0.01mm絕緣處理后，再繞副邊繞組。測得Lσ’為0.5μH，此時，引起電壓損失為：

漏電感儲存的能量為：

如果線圈采用三明治繞法，實(shí)測漏電感從0.5μH降為0.2μH，下降60%，相應(yīng)的電壓損失為：

漏電感儲存的能量為：

(W)

由此可知漏電感減少后得益匪淺。

3.2 漏電感對有多個輸出電壓時的影響

如有二個輸出繞組，分別輸出5V/40A和12V/5A，相對于前面情況，加了一個Lσ2，同樣起著電流建立和消退的延緩作用。由于主輸出繞組D3 、D4在0～t1時段的同時導(dǎo)通，使3、2兩端電壓為0，即經(jīng)t1時間后，再經(jīng)歷漏電感Lσ2的延遲作用，才開始完全由D5供電流給IL2’建立ID5。

由于D5 、D6同時導(dǎo)通，電流IL2’在t2以后才按規(guī)律上升。在 t2～t1期間，V32已上升到一定值，電流IL2 ’開始增加，此增加電流一樣是通過Lσ1，所以對12V/5A繞組而言，受Lσ1+ Lσ2’的左右。

電壓損失為：

(v)

例如，在前例的基礎(chǔ)上，再繞14.4圈(實(shí)繞N2=15)可得到12V電壓，把12V/5A的參數(shù)折算至主繞組上。

測得

電壓損失計(jì)算得：

實(shí)際電壓損失：ΔV2=0.63(V)

4 小結(jié)

本文指出漏電感存在的普遍現(xiàn)實(shí)，以及它對開關(guān)電源參數(shù)的影響。根據(jù)漏電感的計(jì)算公式可知漏電感與幾何尺寸等有關(guān)，可以找到如何盡量減少漏電感的途經(jīng)，諸如改變導(dǎo)線直徑，圓線改為扁線、銅條或編織線以及改變線筒的高度和寬度等，應(yīng)該指出，文中未論及的副邊繞組電流構(gòu)成的回路面積也會影響漏電感，因此回路面積應(yīng)盡可能小。采用雙線并繞，三明治繞法可有效降低漏電感，但這要在工藝上允許并存在可行性。本文推出了電壓損失的計(jì)算公式，作為主輸出繞組電壓損失可以通過電壓環(huán)閉路，調(diào)整占空比得到補(bǔ)償。這樣實(shí)質(zhì)上是縮小了占空比有效值，即漏電感引起占空比損失。多于雙輸出電壓的開關(guān)電源，可以仿照進(jìn)行分析，但本文未對動態(tài)交互電壓損失進(jìn)行分析，這是仍可進(jìn)行的工作。