開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載27）雙激式變壓器開關(guān)電源(part2)

實(shí)際上，推挽式變壓器開關(guān)電源的反激式輸出電壓也是不能忽略的。推挽式變壓器開關(guān)電源變壓器次級(jí)線圈的輸出電壓應(yīng)該同時(shí)包括兩部分，正激輸出電壓和反激輸出電壓。不過，在推挽式變壓器開關(guān)電源中，輸出功率主要還是以正激式輸出功率為主，因?yàn)?，變壓器的?lì)磁電流很小，一般只有正常工作電流的幾分之一，到十分之一。

因此，圖1-27中，當(dāng)控制開關(guān)K1關(guān)斷，K2接通瞬間，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓應(yīng)該等于正激電壓（由（1-128）和（1-129）式給出）與反激電壓（由（1-67）或（1-68）式給出）之和。關(guān)于純電阻負(fù)載反激式輸出電壓的計(jì)算，請(qǐng)參考前面《1-5-1．單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理》章節(jié)中的相關(guān)內(nèi)容分析，這里不再贅述。
根據(jù)（1-67）式

上式中，[uo] 表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組輸出的反激式電壓，[i3] 表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組輸出反激式電壓對(duì)負(fù)載R產(chǎn)生的電流。括弧中的第一項(xiàng)表示變壓器次級(jí)線圈回路中的電流，第二項(xiàng)表示變壓器初級(jí)線圈回路中勵(lì)磁電流被折算到變壓器次級(jí)線圈回路的電流。

另外根據(jù)（1-129）式求得的結(jié)果，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓為：
（uo）=－ne2 = －nUi —— K2接通期間 （1-131）
上面兩式中，[uo]表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組輸出的反激式電壓，（uo）表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓。
因此，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓uo等于正激電壓（uo）與反激電壓[uo]之和，即：

上式是推挽式變壓器開關(guān)電源在負(fù)載為純電阻時(shí)，輸出電壓uo的表達(dá)式。由（1-132）式可以看出，當(dāng)t = 0時(shí)，即：控制開關(guān)K1關(guān)斷瞬間，輸出電壓為最大值：

從（1-133）式可以看出，在控制開關(guān)K1關(guān)斷瞬間，當(dāng)變壓器次級(jí)線圈回路負(fù)載開路，或負(fù)載很輕的時(shí)候，變壓器次級(jí)線圈回路會(huì)產(chǎn)生非常高的反電動(dòng)勢(shì)。

但在實(shí)際應(yīng)用中，并不完全是這樣。因?yàn)?，?dāng)控制開關(guān)K1關(guān)斷瞬間，控制開關(guān)K2也會(huì)同時(shí)接通，此時(shí)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N2繞組也同時(shí)被接入電路中，N2線圈繞組對(duì)于開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組來說，它也相當(dāng)于一個(gè)變壓器次級(jí)線圈，它也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與輸入電壓Ui的方向正好相反；因此，在控制開關(guān)K2接通瞬間，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組存儲(chǔ)的磁能量有一部分要被N2繞組吸收，并產(chǎn)生感應(yīng)電流對(duì)輸入電壓Ui充電。

（1-132）式和（1-133）式并沒有完全考慮，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組和N2繞組被互相看成是一個(gè)變壓器次級(jí)繞組時(shí)，所產(chǎn)生的影響。顯然變壓器次級(jí)線圈回路產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的高低還與控制開關(guān)K1和K2交替接入的時(shí)間差有關(guān)，與K1和K2的接入電阻的大小還有關(guān)。一般電子開關(guān)，如晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管，剛開始導(dǎo)通的時(shí)候也不能簡(jiǎn)單地看成是一個(gè)開關(guān)，它從截止到導(dǎo)通，或從導(dǎo)通到截止，都需要一個(gè)過渡過程，因此，它也會(huì)存在一定的開關(guān)損耗。

當(dāng)N1和N2被互相看成是一個(gè)變壓器次級(jí)繞組時(shí)，由于N1線圈繞組存儲(chǔ)的磁能會(huì)同時(shí)在N1、N2、N3等線圈繞組兩端產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同理，N2線圈繞組存儲(chǔ)的磁能會(huì)同時(shí)在N1、N2、N3等線圈繞組兩端產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

而N1或N2線圈繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電流方向正好與輸入電流的方向相反，因此，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組互相感應(yīng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，會(huì)對(duì)輸入電壓Ui進(jìn)行反充電；即：開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組互相感應(yīng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)被Ui進(jìn)行限幅，這相當(dāng)于變壓器次級(jí)線圈N3繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被Ui進(jìn)行限幅。

因此，變壓器次級(jí)線圈N3繞組輸出電壓uo中的反激式輸出電壓[uo]，并不會(huì)像（1-132）和（1-133）算式所表達(dá)的結(jié)果那么高。

另外，根據(jù)（1-75）式：
Upa×Ton = Upa-×Toff —— 一個(gè)周期內(nèi) （1-75）
還可以知到，當(dāng)控制開關(guān)K1和K2的占空比均等于0.5時(shí)，變壓器正激輸出電壓的半波平均值Upa與反激輸出的半波平均值Upa-基本相等。因此，只有在控制開關(guān)K2接通與控制開關(guān)K1斷開兩者之間存在時(shí)間差時(shí)，變壓器次級(jí)線圈回路才會(huì)產(chǎn)生非常高的反電動(dòng)勢(shì)；但當(dāng)控制開關(guān)K1和K2的占空比均小于0.5時(shí)，雖然反電動(dòng)勢(shì)的幅度比較高，但由（1-75）式可知，反電動(dòng)勢(shì)（反激輸出電壓）的半波平均值還是小于正激電壓的半波平均值。

所以，（1-132）和（1-133）式所表示的結(jié)果，可看成是推挽式變壓器開關(guān)電源在輸出電壓中含有毛刺（輸出噪音）的表達(dá)式。

根據(jù)上面分析，在一般情況下，推挽式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo，主要還是由（1-128）、（1-129）、（1-131）等式來決定。即：推挽式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo，主要由開關(guān)電源變壓器次級(jí)線圈N3繞組輸出的正激電壓來決定。

圖1-28是圖1-27推挽式變壓器開關(guān)電源，在負(fù)載為純電阻，且兩個(gè)控制開關(guān)K1和K2的占空比D均等于0.5時(shí)，變壓器初、次級(jí)線圈各繞組的電壓、電流波形。

圖1－28

圖1-28-a）和圖1-28-b）分別表示控制開關(guān)K1接通時(shí)，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電壓波形，和流過變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電流波形；圖1-28-c）和圖1-28-d）分別表示控制開關(guān)K2接通時(shí)，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N2繞組兩端的電壓波形，和流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N2繞組兩端的電流波形；圖1-28-e）和圖1-28-f）分別表示控制開關(guān)K1和K2輪流接通時(shí)，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓uo的波形，和流過開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端的電流波形。

從圖1-28-b）和圖1-28-d）中我們可以看出，當(dāng)控制開關(guān)K1或K2接通瞬間，流過變壓器初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的電流，其初始值并不等于0，而是產(chǎn)生一個(gè)電流突跳，這是因?yàn)樽儔浩鞔渭?jí)線圈N3繞組中有電流流過的原因。

當(dāng)變壓器次級(jí)線圈N3繞組有負(fù)載電流流過時(shí)，其產(chǎn)生的磁通方向正好與流過變壓器次級(jí)線圈N1或N2繞組勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通方向相反，因此，流過變壓器初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的電流也要在原來勵(lì)磁電流的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)電流，來抵消流過變壓器次級(jí)線圈N3繞組電流的影響。增加電流的大小等于流過變壓器次級(jí)線圈N3繞組電流的n倍，n為變壓器次級(jí)線圈N3繞組與初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比。

從圖1-28-f）中我們可以看出，流過開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端的電流波形是個(gè)矩形波，而不是三角波。這是因?yàn)橥仆焓阶儔浩鏖_關(guān)電源同時(shí)存在正、反激電壓輸出的緣故。當(dāng)變壓器同時(shí)存在正、反激電壓輸出時(shí)，反激式輸出的電流是由最大值開始，然后逐漸減小到最小值，如圖中虛線箭頭所示；而正激式輸出的電流則是由最小值開始，然后逐漸增加到最大值，如圖中實(shí)線箭頭所示；因此，兩者同時(shí)作用的結(jié)果，正好輸出一個(gè)矩形波。

從圖1-28-e）還可以看出，輸出電壓uo由兩個(gè)部分組成，一部分為輸入電壓Ui通過變壓器初級(jí)線圈N1繞組或N2感應(yīng)到次級(jí)線圈N3繞組的正激式輸出電壓（uo），這個(gè)電壓的幅度比較穩(wěn)定，一般不會(huì)隨著時(shí)間變化而變化；另一部分為勵(lì)磁電流通過變壓器初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組存儲(chǔ)的磁能量產(chǎn)生的反激式輸出電壓[uo]，這個(gè)電壓會(huì)使波形產(chǎn)生反沖，其幅度是時(shí)間的指數(shù)函數(shù)，它會(huì)隨著時(shí)間增大而變變小。

這里還需指出，圖1-28-e）中的波形有上沖，在純電阻負(fù)載中是正常的，盡管N1和N2互相都可以把對(duì)方看成是變壓器次級(jí)繞組，并對(duì)高于輸入電壓Ui的反電動(dòng)勢(shì)電壓進(jìn)行限幅，但因?yàn)榫€圈N1繞組與線圈N2繞組之間有漏感，線圈N2繞組與線圈N3繞組之間也有漏感，況且，控制開關(guān)在剛接通瞬間有比較大的電阻，因此，變壓器次級(jí)線圈N3繞組瞬間反激輸出電壓高于正激輸出電壓是肯定的。不過在大多數(shù)情況下，最好還是采用半波平均值的概念來進(jìn)行電路分析或計(jì)算，以免需要進(jìn)行復(fù)雜的指數(shù)函數(shù)運(yùn)算。

當(dāng)要求推挽式變壓器開關(guān)電源輸出電壓波形的反沖幅度很小時(shí)，可采用如圖1-29所示的電路。圖1-29與圖1-27相比，多了兩個(gè)阻尼二極管D1、D2，它們分別與控制開關(guān)K1、K2并聯(lián)。當(dāng)控制開關(guān)K1由接通轉(zhuǎn)換到關(guān)斷時(shí)，在N2線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2，不管K2處于什么工作狀態(tài)，接通或關(guān)斷，只要N2線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2的幅度超過工作電壓Ui，二極管D2就會(huì)導(dǎo)通，相當(dāng)于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2通過二極管D2被工作電壓Ui限幅，同時(shí)也相當(dāng)于變壓器次級(jí)線圈N3繞組輸出電壓uo也要通過電磁感應(yīng)被Ui進(jìn)行限幅，而二極管D2對(duì)控制開關(guān)K2的工作幾乎不受影響。

同理，當(dāng)控制開關(guān)K2由接通轉(zhuǎn)換到關(guān)斷時(shí)，不管K1處于什么工作狀態(tài)，只要N1線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1的幅度超過工作電壓Ui，二極管D1就會(huì)導(dǎo)通，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1就會(huì)通過二極管D1被工作電壓Ui限幅，這也相當(dāng)于變壓器次級(jí)線圈N3繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被Ui進(jìn)行限幅，而二極管D1對(duì)控制開關(guān)K1的工作幾乎不受影響。

一般人們都把D1、D2稱為阻尼二極管，這是因?yàn)镈1、D2沒有直接對(duì)輸出電壓uo進(jìn)行限幅，而是通過變壓器初、次級(jí)之間的感應(yīng)作用間接進(jìn)行的。實(shí)際應(yīng)用中，一般都在開關(guān)三極管的E-C或場(chǎng)效應(yīng)管的S-D兩個(gè)電極內(nèi)部封裝有一個(gè)阻尼二極管，其作用就是用來對(duì)輸出電壓反沖進(jìn)行阻尼用的。阻尼二極管D1、D2的另一個(gè)作用是防止變壓器初級(jí)線圈N1繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1對(duì)控制開關(guān)K1、K2反向擊穿。