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開關(guān)變壓器第十五講 內(nèi)部等效電路分析(1)

發(fā)布時間:2009-08-12

開關(guān)變壓器的等效電路與一般變壓器的等效電路,雖然看起來基本沒有區(qū)別,但開關(guān)變壓器的等效電路一般是不能用穩(wěn)態(tài)電路進行分析的;等效負載電阻不是一個固定參數(shù),它會隨著開關(guān)電源的工作狀態(tài)不斷改變,分布電感與分布電容對正激式開關(guān)電源和反激式開關(guān)電源工作的影響也不一樣



(2-122)式中,Cs為變壓器的總分布電容,Cs1為變壓器初級線圈的分布電容;C1為次級線圈電路中總電容C2(包括分布電容與電路中的電容)等效到初級線圈電路中的電容;n = N2/N1為變壓比。

圖2-43開關(guān)變壓器的等效電路與一般變壓器的等效電路,雖然看起來基本沒有區(qū)別,但開關(guān)變壓器的等效電路一般是不能用穩(wěn)態(tài)電路進行分析的;即:圖2-43中的等效負載電阻不是一個固定參數(shù),它會隨著開關(guān)電源的工作狀態(tài)不斷改變。

例如,在反激式開關(guān)電源中,當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時,開關(guān)變壓器是沒有功率輸出的,即負載電阻R等于無限大;而對于正激式開關(guān)電源,當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時,開關(guān)變壓器是有功率輸出的,即負載電阻R既不等于無限大,也不等于0 。因此,分布電感與分布電容對正激式開關(guān)電源和反激式開關(guān)電源工作的影響是不一樣的。

我們先來看圖2-44,當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時,無論是對正激式開關(guān)電源或反激式開關(guān)電源,漏感Ls都會對流過開關(guān)管Q1的電流Id起到限制作用,即降低Id的電流上升率,這對保護開關(guān)管是有好處的;因為,開關(guān)管剛導(dǎo)通的時候,電流在管芯內(nèi)部是以擴散的形式由一個點向整個面擴散的,如果電流上升率太大,很容易使開關(guān)管因局部面積電流密度過大造成損傷。
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另外,Ls和Cs可以看成是一個串聯(lián)振蕩回路,當(dāng)開關(guān)管Q1開始導(dǎo)通的時候,輸入脈沖電壓的上升率大于串聯(lián)振蕩回路自由振蕩電壓的上升率,因此,振蕩回路開始吸收能量,輸入電壓對Ls和Cs進行充電,此時,振蕩回路會抑制輸入電流上升率的增長;當(dāng)開關(guān)管Q1完全導(dǎo)通以后,開關(guān)管完全導(dǎo)通(脈沖進入平頂階段),相當(dāng)于輸入脈沖電壓的上升率為0,此時,輸入脈沖電壓的上升率小于串聯(lián)振蕩回路自由振蕩電壓的上升率,因此,振蕩回路開始釋放能量,振蕩回路產(chǎn)生阻尼振蕩;

當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通過后,開關(guān)管開始關(guān)斷,相當(dāng)于輸入脈沖電壓的上升率為負(脈沖進入反沖階段),此時,輸入脈沖電壓的上升率小于串聯(lián)振蕩回路自由振蕩電壓的上升率,因此,振蕩回路又開始再次釋放能量,振蕩回路再次產(chǎn)生阻尼振蕩,如圖2-45所示。

圖4-5-a,是電源開關(guān)管Q1導(dǎo)通時,輸入電壓U加于開關(guān)變壓器兩端的波形;圖4-5-b,是勵磁電感或分布電容兩端的電壓波形;圖4-5-c,是電源關(guān)管D、S兩極之間的電壓波形。

在圖4-5-b中,在t0時刻,電源開關(guān)管Q1開始導(dǎo)通,輸入電壓U加于開關(guān)變壓器兩端,輸入電壓首先通過分布電感Ls對分布電容Cs充電,充電過程是按正弦曲線上升;到t1時刻,流過Ls的電流達到最大值,同時分布電容Cs兩端的電壓與輸入電壓U相等,即Ls兩端的電壓為0;但流過Ls的電流不能為0,Ls將產(chǎn)生反電動勢繼續(xù)給電容Cs充電。

直到t2時刻,流過Ls的電流等于0,電容器Cs充電結(jié)束,同時Cs兩端的電壓也達到最大值;然后電容按正弦曲線開始放電,流過Ls的電流開始反向,到t3時刻,Cs兩端的電壓又與輸入電壓U相等,電容停止放電,但流過Ls的電流不能為0,Ls將又產(chǎn)生反電動勢給電容Cs進行反向充電,所以Cs兩端的電壓低于輸入電壓U。

到t4時刻,流過Ls的反向電流等于0,Cs兩端的電壓達到最低值;然后輸入電壓又開始通過Ls對Cs進行充電,到此分布電感Ls與分布電容Cs第一個充放電周期結(jié)束。
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在t0時刻,由于輸入電壓的上升率大于分布電感Ls與分布電容Cs充、放電電壓的上升率,所以電感和電容是從輸入電壓吸收能量;在t1時間之后,輸入電壓的上升率小于分布電感Ls與分布電容Cs充、放電的電壓上升率,所以電感和電容是釋放能量的,即:電感和電容在t1時間之后會產(chǎn)生阻尼振蕩。

這里順便指出,圖2-45-b的波形是很難測量到的,因為它基本上都在變壓器內(nèi)部的分布電感Ls與分布電容Cs之間產(chǎn)生,但它會通過輻射對周邊電路造成干擾。

下面我們進一步通過數(shù)學(xué)的計算方法來對電路進行詳細分析。





從(2-128)式可以看出,電容兩端電壓的變化過程主要由三個與時間常數(shù)有關(guān)的變量決定。但如果我們直接用(2-128)式來求解(2-125)式,結(jié)果將會變得非常復(fù)雜,為此我們先對(2-128)式進行簡化。

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另外,非齊次微分方程(2-125)式的解應(yīng)該等于齊次微分方程(2-126)式的通解與(2-125)式特解之和。






另外,LC振蕩的幅度對于正激式開關(guān)電源和反激式開關(guān)電源是不同的。對于正激式開關(guān)電源,當(dāng)電源開關(guān)管Q1導(dǎo)通的時候,正好開關(guān)變壓器要向負載輸出能量,等效負載電阻R的值相對比較小,即衰減系數(shù)很小,LC振蕩回路被阻尼得很厲害,因此,振蕩幅度下降很快,一般第一個振蕩周期過后,振蕩回路很難再次振蕩起來。

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