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正激式变压器开关电源工作原理

正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性,相对来说比较好,因此,工作比较稳定,输出电压不容易产生抖动,在一些对输出电压参数要求比较高的场合,经常使用。

1-6-1.正激式变压器开关电源工作原理

所谓正激式变压器开关电源,是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时,变压器的次级线圈正好有功率输出。

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图 1-17 是正激式变压器开关电源的简单工作原理图,图 1-17 中 Ui 是开关电源的输入电压,T 是开关变压器,K 是控制开关,L 是储能滤波电感,C 是储能滤波电容,D2 是续流二极管,D3 是削反峰二极管,R 是负载电阻。

在图 1-17 中,需要特别注意的是开关变压器初、次级线圈的同名端。如果把开关变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反,图 1-17 就不再是正激式变压器开关电源了。

我们从(1-76)和(1-77)两式可知,改变控制开关 K 的占空比 D,只能改变输出电压(图 1-16-b 中正半周)的平均值 Ua ,而输出电压的幅值 Up 不变。因此,正激式变压器开关电源用于稳压电源,只能采用电压平均值输出方式。

图 1-17 中,储能滤波电感 L 和储能滤波电容 C,还有续流二极管 D2,就是电压平均值输出滤波电路。其工作原理与图 1-2 的串联式开关电源电压滤波输出电路完全相同,这里不再赘述。关于电压平均值输出滤波电路的详细工作原理,请参看“1-2.串联式开关电源”部分中的“串联式开关电源电压滤波输出电路”内容。

正激式变压器开关电源有一个最大的缺点,就是在控制开关 K 关断的瞬间开关电源变压器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势,这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的。因此,在图 1-17 中,为了防止在控制开关 K 关断瞬间产生反电动势击穿开关器件,在开关电源变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈N3 绕组,以及增加了一个削反峰二极管D3。

反馈线圈N3绕组和削反峰二极管D3对于正激式变压器开关电源是十分必要的,一方面,反馈线圈 N3 绕组产生的感应电动势通过二极管 D3 可以对反电动势进行限幅,并把限幅能量返回给电源,对电源进行充电;另一方面,流过反馈线圈N3 绕组中的电流产生的磁场可以使变压器的铁心退磁,使变压器铁心中的磁场强度恢复到初始状态。

由于控制开关突然关断,流过变压器初级线圈的励磁电流突然为 0,此时,流过反馈线圈 N3 绕组中的电流正好接替原来励磁电流的作用,使变压器铁心中的磁感应强度由最大值 Bm 返回到剩磁所对应的磁感应强度 Br 位置,人人射,即:流过反馈线圈 N3 绕组中电流是由最大值逐步变化到 0 的。由此可知,反馈线圈 N3 绕组产生的感应电动势在对电源进行充电的同时,流过反馈线圈 N3 绕组中的电流也在对变压器铁心进行退磁。

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图 1-18 是图 1-17 中正激式变压器开关电源中几个关键点的电压、电流波形图。图 1-18-a)是变压器次级线圈 N2 绕组整流输出电压波形,图 1-18-b)是变压器次级线圈 N3 绕组整流输出电压波形,图 1-18-c)是流过变压器初级线圈 N1 绕组和次级线圈 N3 绕组的电流波形。

图 1-17 中,在 Ton 期间,控制开关 K 接通,输入电源 Ui 对变压器初级线圈N1绕组加电,初级线圈 N1 绕组有电流 i1 流过,在 N1 两端产生自感电动势的同时,在变压器次级线圈 N2 绕组的两端也同时产生感应电动势,并向负载提供输出电压。开关变压器次级线圈输出电压大小由(1-63)、(1-69)、(1-76)、(1-77)等式给出,电压输出波形如图 1-18-a)。

图 1-18-c)是流过变压器初级线圈电流 i1 的波形。流过正激式开关电源变压器的电流与流过电感线圈的电流不同,流过正激式开关电源变压器中的电流有突变,而流过电感线圈的电流不能突变。因此,在控制开关 K 接通瞬间流过正激式开关电源变压器的电流立刻就可以达到某个稳定值,这个稳定电流值是与变压器次级线圈电流大小相关的。如果我们把这个电流记为 i10,变压器次级线圈电流为i2,那么就是:i10 = n i2 ,其中 n 为变压器次级电压与初级电压比。

另外,流过正激式开关电源变压器的电流 i1 除了 i10 之外还有一个励磁电流,我们把励磁电流记为∆i1。从图 1-18-c)中可以看出,∆i1 就是 i1 中随着时间线性增长的部份,励磁电流∆i1 由下式给出:

∆i1 = Ui*t/L1 —— K 接通期间 (1-80)

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