開關(guān)電源原理與設(shè)計（連載十二）單激式變壓器開關(guān)電源工作原理

我們再來分析控制開關(guān)K關(guān)斷期間的情況。

在Toff期間，控制開關(guān)K關(guān)斷，流過變壓器初級線圈的電流突然為0。由于變壓器初級線圈回路中的電流產(chǎn)生突變，而變壓器鐵心中的磁通量不能突變，因此，必須要求流過變壓器次級線圈回路的電流也跟著突變，以抵消變壓器初級線圈電流突變的影響，要么，在變壓器初級線圈回路中將出現(xiàn)非常高的反電動勢電壓，把控制開關(guān)或變壓器擊穿。

如果變壓器鐵心中的磁通ф產(chǎn)生突變，變壓器的初、次級線圈就會產(chǎn)生無限高的反電動勢，反電動勢又會產(chǎn)生無限大的電流，而電流在線圈中產(chǎn)生的磁力線又會抵制磁通的變化，因此，變壓器鐵心中的磁通變化，最終還是要受到變壓器初、次級線圈中的電流來約束的。

因此，在控制開關(guān)K關(guān)斷的Toff期間，變壓器鐵心中的磁通 主要由變壓器次級線圈回路中的電流來決定，即：

e2 =-N2*dф/dt =-L2*di2/dt = i2R —— K關(guān)斷期間 (1-64)

式中負號表示反電動勢e2的極性與(1-62)式中的符號相反，即：K接通與關(guān)斷時變壓器次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的極性正好相反。對(1-64)式階微分方程求解得：

式中C為常數(shù)，把初始條件代入上式，就很容易求出C，由于控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，變壓器初級線圈回路中的電流突然為0，而變壓器鐵心中的磁通量不能突變，因此，變壓器次級線圈回路中的電流i2一定正好等于控制開關(guān)K接通期間的電流i2(Ton+)，與變壓器初級線圈回路中勵磁電流被折算到變壓器次級線圈回路電流之和。所以(1-65)式可以寫為：

(1-66)式中，括弧中的第一項表示變壓器次級線圈回路中的電流，第二項表示變壓器初級線圈回路中勵磁電流被折算到變壓器次級線圈回路的電流。

圖1-16-a單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓uo等于：

(1-68)式中的Up-就是反擊式輸出電壓的峰值，或輸出電壓最大值。由此可知，在控制開關(guān)K關(guān)斷瞬間，當(dāng)變壓器次級線圈回路負載開路時，變壓器次級線圈回路會產(chǎn)生非常高的反電動勢。理論上需要時間t等于無限大時，變壓器次級線圈回路輸出電壓才為0，但這種情況一般不會發(fā)生，因為控制開關(guān)K的關(guān)斷時間等不了那么長。

從(1-63)和(1-67)式可以看出，開關(guān)電源變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理是不一樣的。當(dāng)開關(guān)電源工作于正激時，開關(guān)電源變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理基本相同;當(dāng)開關(guān)電源工作于反激時，開關(guān)電源變壓器的工作原理相當(dāng)于一個儲能電感。

如果我們把輸出電壓uo的正、負半波分別用平均值Upa、Upa-來表示，則有：

分別對(1-71)和(1-72)兩式進行積分得：

由此我們可以求得，單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓正半波的面積與負半波的面積完全相等，即：

Upa×Ton = Upa-×Toff —— 一個周期內(nèi)單激式輸出 (1-75)

(1-75)式就是用來計算單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓半波平均值Upa和Upa-的表達式。上面(1-73)、(1-74)、(1-75)式中，我們分別把Upa和Upa-定義為正半波平均值和負半波平均值，簡稱半波平均值，而把Ua 和Ua- 稱為一周平均值。從圖1-16-b可以看出，Upa正好等于Up，但Upa-并不等于Up- ，Upa- 小于Up- 。

半波平均值Upa和Upa-，以及一周平均值Ua 和Ua- ，對于分析開關(guān)電源的工作原理是一個非常重要的概念，下面經(jīng)常用到，在這里務(wù)必記清楚。

在開關(guān)電源中，正激電壓和反激電壓是同時存在的，但在單激式開關(guān)電源中一般只能有一種電壓用于功率輸出。這是因為單激式開關(guān)電源一般都要求輸出電壓可調(diào)，即：通過改變控制開關(guān)的占空比來調(diào)整開關(guān)電源輸出電壓的大小。如：在正激式開關(guān)電源中，只有(1-75)式等號左邊Upa電壓向負載提供功率輸出，通過改變控制開關(guān)的占空比，可以改變其輸出電壓的平均值;在反激式開關(guān)電源中，只有(1-75)式等號右邊Upa-電壓向負載提供功率輸出，通過改變控制開關(guān)的占空比，可以改變其輸出電壓的半波平均值。

在(1-75)式中，如果把等號左邊的Upa看成是正激電壓，則等號右邊的Upa-就可以看成是反激電壓，反之則反。在正激式開關(guān)電源中，由于只有正激電壓Upa向負載提供功率輸出，所以反激電壓Upa-就相當(dāng)于一個附屬產(chǎn)品需要另外回收;在反激式開關(guān)電源中，由于只有反激電壓Upa-向負載提供功率輸出，所以正激電壓Upa就相當(dāng)于用來對能量進行存儲，以便于給反激電壓Upa-提供能量輸出。

如果(1-75)式中正激電壓沒有電流輸出，就不能把正激電壓看成是正激式輸出電壓，我們應(yīng)該把它看成是反激式輸出電壓的一個過程，就是為反激式輸出電壓存儲能量。這樣定義雖然有點勉強，但主要目的還是為了讓我們增強對開關(guān)電源工作原理的理解。

這是因為，(1-75)式中無論是正激電壓Upa或是反激電壓Upa-，都是由流過變壓器初級線圈的勵磁電流產(chǎn)生的磁通，通過互感的作用所產(chǎn)生的。但勵磁電流產(chǎn)生的磁通并不直接向正激電壓Upa提供能量輸出，因為(1-71)、(1-72)、(1-73)、(1-74)等式中的磁通并不是由正激電壓產(chǎn)生的，而是由勵磁電流自己產(chǎn)生的。勵磁電流產(chǎn)生的磁通ф 雖然通過電磁感應(yīng)會產(chǎn)生正激電壓，但不產(chǎn)生正激電流輸出，即：勵磁電流對正激式輸出電壓不提供功率輸出。不管正激式輸出功率或電流多大，變壓器初級線圈中的勵磁電流或磁通的變化只與輸入電壓和變壓器的初級電感量有關(guān)，而與正激式輸出功率或電流大小無關(guān)。

這是因為我們把變壓器鐵心中的磁通ф 分成了兩個部分，即：勵磁電流產(chǎn)生的磁通和正激電流產(chǎn)生的磁通，來進行分析的緣故。正激輸出電流產(chǎn)生的磁通與流過變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通，方向相反，互相可以抵消，而剩下來的磁通正好就是勵磁電流產(chǎn)生的;因此，只有勵磁電流產(chǎn)生的磁通才會產(chǎn)生反激式輸出電壓和電流。正激式輸出電壓只與變壓器的輸入電壓和變壓器的初、次級線圈的匝數(shù)比有關(guān)，兩種電壓輸出機理是不完全一樣的。

在變壓器開關(guān)電源中，正激式輸出電壓的計算比較簡單，而反激式輸出電壓的計算相對來說很復(fù)雜，因此，如果沒有十分必要，最好采用半波平均值的概念和(1-75)式，通過計算正激電壓的半波平均值，來推算反激式輸出電壓的半波平均值。因此，(1-75)式主要還是用來計算反激式輸出電壓的半波平均值的。

另外，還需特別注意：(1-75)式中，正激電壓的幅值或半波平均值是不會跟隨控制開關(guān)的接通時間Ton或占空比D的改變而改變的;而反激電壓的幅值或半波平均值則要跟隨控制開關(guān)的接通時間Ton或占空比D的改變而改變，占空比D越大，反激電壓的幅值或半波平均值就越高。正激式開關(guān)電源與反激式開關(guān)電源的區(qū)別不只是輸出電壓極性的不同，更重要的是變壓器的參數(shù)要求不一樣;在正激式開關(guān)電源中，反激式輸出電壓的能量與正激式輸出電壓的能量相比，一般都比較小，有時甚至可以忽略。

根據(jù)(1-63)式與半波平均值的定義，可以求得正激式開關(guān)電源輸出電壓為：

由(1-76)、(1-77)和(1-78)、(1-79)式看出：

當(dāng)開關(guān)電源工作于正激式輸出狀態(tài)的時候，改變控制開關(guān)K的占空比D，只能改變輸出電壓(圖1-16-b中正半周)的平均值Ua ，而輸出電壓的幅值Up不變;當(dāng)開關(guān)電源工作于反激式輸出狀態(tài)的時候，改變控制開關(guān)K的占空比D，不但可以改變輸出電壓uo(圖1-16-b中負半周)的幅值Up- ，而且也可以改變輸出電壓的平均值Ua- 。

這里還需提請注意，在決定反激式開關(guān)電源輸出電壓的(1-78)式中，并沒有使用反激輸出電壓最大值或峰值Up-的概念，而式使用的Up正好是正擊式輸出電壓的峰值，這是因為反激輸出電壓的最大值或峰值Up-計算比較復(fù)雜((1-68)式)，并且峰值Up-的幅度不穩(wěn)定，它會隨著輸出負載大小的變化而變化;而正擊式輸出電壓的峰值Up則不會隨著輸出負載大小的變化而變化。