開關電源教程(15):單電容半橋式變壓器開關電源原理

admin @ 2014-03-19 , reply:0

開關電源教程(15):單電容半橋式變壓器開關電源原理







開關電源教程(15):單電容半橋式變壓器開關電源原理


圖1-41和圖1-42是單電容半橋式變壓器開關電源剛開始工作時輸出電壓和儲能電容充電時電容器兩端的電壓波形。這裡我們分成兩種極端情況來進行分析,圖1-41表示單電容半橋式開關電源變壓器勵磁電流為最大值時的極端情形;而圖1-42表示單電容半橋式開關電源變壓器勵磁電流為最小值時的極端情形。因此,在實際工作中的單電容半橋式變壓器開關電源,在剛開始工作的時候,其輸出電壓和儲能電容充電時電容器量端的電壓波形一定會介於圖1-41和圖1-42所包含的兩種結果之間。


由於單電容半橋式變壓器開關電源正常工作時,加到變壓器初級線圈兩端的電壓只有輸入電源電壓的二分之一,因此,在進行變壓器參數設計的時候不可能把變壓器的伏秒容量取得很大;當加到變壓器初級線圈兩端的電壓高於正常工作電壓的兩倍時,在變壓器初級線圈中將會出現很大的勵磁電流,甚至會使變壓器鐵心中的磁感應強度接近飽和;在這種情況下,開關電源的反激輸出電壓就不能不考慮;當變壓器次級線圈輸出電流基本為0或很小時,開關電源的輸出電壓主要就是反激輸出電壓與正激輸出電壓的和,並且兩者的半波平均值基本相等。圖1-41就是表示這種情形。



圖1-41-a)表示圖1-39單電容半橋式變壓器開關電源剛開始工作時,在變壓器初級線圈勵磁電流最大的情況下,輸出電壓(取半波平均值)和儲能電容充電時電容器兩端的波形;圖1-41-b)表示圖1-39單電容半橋式變壓器開關電源,在變壓器初級線圈勵磁電流最大的情況下,剛開始工作時儲能電容充電時電容器兩端的波形。


圖1-41-a)中,正半周電壓波形表示儲能電容充電時開關電源輸出的正激輸出電壓,負半周電壓波形表示儲能電容放電時開關電源輸出的反激輸出電壓和正激輸出電壓;但正激輸出電壓相對於反激輸出電壓來說,幅度很小,這是變壓器勵磁電流很大的緣故。圖1-41-a)中反激輸出電壓波形圖是根據(1-75)、(1-158)、(1-169)等式分析畫出來的。而圖1-41-b)中儲能電容器兩端的波形的波形圖是根據(1-164)到(1-169)等式分析畫出來的。


從圖1-41-a)可以看出,單電容半橋式變壓器開關電源剛開始工作的時候,正、反激輸出電壓的幅度很高,這是因為儲能電容器剛開始充電,儲能電容器兩端的電壓還很低,輸入電源電壓幾乎全部被加到變壓器初級線圈的兩端;並且此時變壓器初級線圈中的勵磁電流很大,存儲的磁能量也很大。當儲能電容器將要充滿電的時候,加到變壓器初級線圈兩端的電壓也將降低,最後基本穩定在一個數值上,就是輸入電源電壓的二分之一。


圖1-42也是單電容半橋式變壓器開關電源剛開始工作時輸出電壓和儲能電容充電時電容器兩端的電壓波形,不過,圖1-42表示的是單電容半橋式開關電源變壓器勵磁電流為最小值時的極端情形。在這種情形下,相當於開關電源變壓器的伏秒容量必須取得足夠大,其勵磁電流才會足夠地小。



圖1-42-a)表示圖1-39單電容半橋式變壓器開關電源剛開始工作時,在變壓器初級線圈勵磁電流最小的情況下,輸出電壓(取半波平均值)和儲能電容充電時電容器兩端的波形;圖1-42-b)表示圖1-39單電容半橋式變壓器開關電源,在變壓器初級線圈勵磁電流最小的情況下,剛開始工作時儲能電容充電時電容器兩端的波形。


圖1-42-a)中,正半周電壓波形表示儲能電容充電時開關電源輸出的正激輸出電壓,負半周電壓波形表示儲能電容放電時開關電源輸出的反激輸出電壓和正激輸出電壓;但反激輸出電壓相對於正激輸出電壓來說,幅度很小,這是變壓器勵磁電流很小的緣故。圖1-42-a)中反激輸出電壓波形圖是根據(1-75)、(1-158)、(1-169)等式分析畫出來的。而圖1-42-b)中儲能電容器兩端的波形的波形圖是根據(1-164)到(1-169)等式分析畫出來的。


從圖1-42-a)可以看出,單電容半橋式變壓器開關電源剛開始工作的時候,輸出電壓的波形上下半周是不對稱的,上半周輸出電壓幅度很高,是因為儲能電容器剛開始充電,儲能電容器兩端的電壓還很低,輸入電源電壓幾乎全部被加到變壓器初級線圈的兩端;負半周輸出電壓幅度很低,是因為儲能電容器還沒有充滿電,儲能電容器放電的電壓很低。當儲能電容器將要充滿電的時候,加到變壓器初級線圈兩端的電壓也將降低,最後基本穩定在一個數值上,就是輸入電源電壓的二分之一。


從原理上說,要經過無限長的時間才能把圖1-39中的儲能電容充滿電,但在實際應用中,一般都認為儲能電容器充電的電壓達到其充滿電時的90%,即可認為電容器已基本被充滿電。


在電容器的充電過程中,當電容器充電的電壓達到最大電壓的90%時,其連續充電時間為2.3τ,這裡τ為電容器充電的時間常數。但考慮到在圖1-39的電路中,電容器時一邊充電,一邊又放電,因此電容被充滿電的時間會很長,大約需要5τ時間左右。

這裡我們再次指出,在單電容半橋式變壓器開關電源之中,電容充、放電都是按指數曲線或正、餘弦曲線進行,因此,輸出電壓波形不應該是一個矩形波,而是一個波形的頂部按指數曲線變化的脈衝,但為了方便分析,我們這裡還是採用半波平均值的方法來進行分析。


另外,單電容半橋式變壓器開關電源同樣也存在反激式輸出,但單電容半橋式變壓器開關電源在正常工作狀態下,主要還是屬於正激式輸出電源,反激式輸出的能量相對比較小,因為,單電容半橋式開關電源變壓器初級線圈的勵磁電流一般都取得很小。當反激式輸出電壓迭加在正激式輸出電壓上面時,輸出電壓波形的前、后沿會出現脈衝尖峰,這一點特別值得注意。


對於整流輸出式的單電容半橋式變壓器開關電源,由於輸出端的儲能濾波電容時間常數很大,反激式輸出的脈衝尖峰很容易被儲能濾波電容吸收掉,整流之前輸出的電壓波形基本上就是圖1-41-a)或圖1-42-a)中正激輸出電壓的半波平均值波形。

順便說明,上面所謂的變壓器初級線圈勵磁電流最大或最小情況,這裡是指變壓器初級線圈的伏秒容量比較小或非常大的情況,並不是指變壓器鐵心的磁感應強度一定要達到飽和。












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