開關(guān)電源原理與設(shè)計（連載十四）正激式變壓器開關(guān)電源的優(yōu)缺點

1-6-2.正激式變壓器開關(guān)電源的優(yōu)缺點

為了表征各種電壓或電流波形的好壞，一般都是拿電壓或電流的幅值、平均值、有效值、一次諧波等參量互相進行比較。在開關(guān)電源之中，電壓或電流的幅值和平均值最直觀，因此，我們用電壓或電流的幅值與其平均值之比，稱為脈動系數(shù)S;也有人用電壓或電流的有效值與其平均值之比，稱為波形系數(shù)K。

因此，電壓和電流的脈動系數(shù)Sv、Si以及波形系數(shù)Kv、Ki分別表示為：

Sv = Up/Ua —— 電壓脈動系數(shù) (1-84)

Si = Im/Ia —— 電流脈動系數(shù) (1-85)

Kv =Ud/Ua —— 電壓波形系數(shù) (1-86)

Ki = Id/Ia —— 電流波形系數(shù) (1-87)

上面4式中，Sv、Si、Kv、Ki分別表示：電壓和電流的脈動系數(shù)S，和電壓和電流的波形系數(shù)K，在一般可以分清楚的情況下一般都只寫字母大寫S或K。脈動系數(shù)S和波形系數(shù)K都是表征電壓或者電流好壞的指標，S和K的值，顯然是越小越好。S和K的值越小，表示輸出電壓和電流越穩(wěn)定，電壓和電流的紋波也越小。

正激式變壓器開關(guān)電源正好是在變壓器的初級線圈被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈向負載提供功率輸出，并且輸出電壓的幅度是基本穩(wěn)定的，此時盡管輸出功率不停地變化，但輸出電壓的幅度基本還是不變，這說明正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說比較好;只有在控制開關(guān)處于關(guān)斷期間，功率輸出才全部由儲能電感和儲能電容兩者同時提供，此時輸出電壓雖然受負載電流的影響，但如果儲能電容的容量取得比較大，負載電流對輸出電壓的影響也很小。

另外，由于正激式變壓器開關(guān)電源一般都是選取變壓器輸出電壓的一周平均值，儲能電感在控制開關(guān)接通和關(guān)斷期間都向負載提供電流輸出，因此，正激式變壓器開關(guān)電源的負載能力相對來說比較強，輸出電壓的紋波比較小。如果要求正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓有較大的調(diào)整率，在正常負載的情況下，控制開關(guān)的占空比最好選取在0.5左右，或稍大于0.5，此時流過儲能濾波電感的電流才是連續(xù)電流。當流過儲能濾波電感的電流為連續(xù)電流時，負載能力相對來說比較強。

當控制開關(guān)的占空比為0.5時，正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓uo的幅值正好等于電壓平均值Ua的兩倍，流過濾波儲能電感電流的最大值Im也正好是平均電流Io(輸出電流)的兩倍，因此，正激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流的脈動系數(shù)S都約等于2，而與反激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流的脈動系數(shù)S相比，差不多小一倍，說明正激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流輸出特性要比反激式變壓器開關(guān)電源好很多。

正激式變壓器開關(guān)電源的缺點也是非常明顯的。其中一個是電路比反激式變壓器開關(guān)電源多用一個大儲能濾波電感，以及一個續(xù)流二極管。此外，正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度，相對于反激式變壓器開關(guān)電源來說要低很多，這個從(1-77)和(1-78)式的對比就很明顯可以看出來。因此，正激式變壓器開關(guān)電源要求調(diào)控占空比的誤差信號幅度比較高，誤差信號放大器的增益和動態(tài)范圍也比較大。

另外，正激式變壓器開關(guān)電源為了減少變壓器的勵磁電流，提高工作效率，變壓器的伏秒容量一般都取得比較大(伏秒容量等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積，這里用US來表示)，并且為了防止變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢把開關(guān)管擊穿，正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器要比反激式變壓器開關(guān)電源的變壓器多一個反電動勢吸收繞組，因此，正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積要比反激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積大。

正激式變壓器開關(guān)電源還有一個更大的缺點是在控制開關(guān)關(guān)斷時，變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢電壓要比反激式變壓器開關(guān)電源產(chǎn)生的反電動勢電壓高。因為一般正激式變壓器開關(guān)電源工作時，控制開關(guān)的占空比都取在0.5左右，而反激式變壓器開關(guān)電源控制開關(guān)的占空比都取得比較小。

正激式變壓器開關(guān)電源在控制開關(guān)關(guān)斷時，變壓器初級線圈兩端產(chǎn)生的反電動勢電壓是由流過變壓器初級線圈的勵磁電流產(chǎn)生的。因此，為了提高工作效率和降低反電動勢電壓的幅度，盡量減小正激式開關(guān)電源變壓器初級線圈的勵磁電流是值得考慮的。

當控制開關(guān)的占空比為0.5時，在控制開關(guān)關(guān)斷時刻，電源變壓器初級會產(chǎn)生反電動勢，反電動勢產(chǎn)生的電流方向與輸入電壓Ui產(chǎn)生的電流方向相同，因此，控制開關(guān)兩端的電壓正好等于輸入電壓Ui與反電動勢Up-之和，即：

Ukp = Ui+Up- —— K關(guān)斷期間 (1-88)

式中Ukp為控制開關(guān)關(guān)斷時刻，控制開關(guān)兩端的電壓;Up-為變壓器初級線圈產(chǎn)生反電動勢電壓的峰值。根據(jù)(1-68)式和圖1-16-b可知，Up-一般都大于輸入電壓Ui，因此Ukp大于兩倍Ui。

一般正激式變壓器開關(guān)電源都設(shè)置有一個反電動勢能量吸收回路，如圖1-17中的變壓器反饋線圈N3繞組和整流二極管D3，此時，反電動勢電壓的峰值一般都被限幅到輸入電壓Ui的值，如果不考慮變壓器初、次級線圈的漏感，則(1-88)式可以改寫為：

Ukp = 2Ui —— 帶限幅電路 (1-89)

這個電壓對于電源開關(guān)管來說是很高的。例如電源輸入電壓為交流220伏，經(jīng)整流濾波后其最大值就是311伏，根據(jù)(1-89)式可求得Uk = 622伏;如果輸入電壓為交流253伏(±15%)，那么，可以求得Ukp = 715伏，這還不算變壓器初級線圈漏感產(chǎn)生的反電動勢電壓。一般圖1-17中的變壓器反饋線圈N3繞組和整流二極管D3，對變壓器初級線圈N1繞組漏感產(chǎn)生的反電動勢電壓是無法進行吸收的，這一點需要特別注意。為了吸收變壓器初級線圈N1繞組漏感產(chǎn)生的反電動勢，在變壓器初級線圈回路中還要專門設(shè)置一個反電動勢吸收電路，這一方面內(nèi)容后面還要更詳細介紹。

一般電源開關(guān)管的耐壓都在650伏左右，因此，正激式變壓器開關(guān)電源在輸入電壓為交流220伏的設(shè)備中很少使用，或者用兩個電源開關(guān)管串聯(lián)來使用。由于正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說比較好，因此，目前在一些對瞬態(tài)控制特性要求比較高的場合，用兩個電源開關(guān)管串聯(lián)的正激式變壓器開關(guān)電源也逐步開始增加。