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电源漏感与分布电容对输出波形的影响二

发布时间:2020-07-21 18:15:34 阅读: 来源:转子泵厂家

另外,LC振荡的幅度对于正激式开关电源和反激式开关电源是不同的。对于正激式开关电源,当电源开关管Q1导通的时候,正好开关变压器要向负载输出能量,等效负载电阻R的值相对比较小,即衰减系数很小,LC振荡回路被阻尼得很厉害,因此,振荡幅度下降很快,一般第一个振荡周期过后,振荡回路很难再次振荡起来。

本文引用地址:对于反激式开关电源,当电源开关管Q1导通的时候,开关变压器只是存储能量,没有能量输出,因此,等效负载电阻R的值非常大,相当于开路,此时,衰减系数很大,约等于1,即LC振荡回路基本上没有被阻尼,LC振荡是等幅振荡,其振荡的幅度基本上等于分布电容Cs两端电压的半波平均值Uc ,即:分布电容Cs两端电压Uc的最大值Ucm约等于输入电压U的两倍,即:Ucm = 2U,Ucm为分布电容Cs两端电压μc 的最高电压。

当电源开关管Q1关断瞬间,即t = t6~t7时刻,相当于开关变压器初级线圈的一端被切断,开关变压器中的漏感Ls和分布电容Cs与励磁电感Lμ的充放电回路基本被切断,原来存储于Ls、Cs、Lμ中的能量会生产反电动势,它只能通过等效负载R和电源开关管的内阻进行释放。因此,反电动势的大小与Ls、Cs、Lμ存储能量的大小有关,还与等效负载R的大小以及电源开关管关断速度的快慢有关,而 存储能量又与占空比有关。

我们从(2-135)式以及图2-44还可以看出,当电源开关管Q1导通时,分布电容Cs两端电压μc也是励磁电感Lμ两端的电压,此电压由一个振荡波形与一个半波平均值Uc叠加,Uc≈U,因此,在Uc 的作用下,在励磁电感Lμ中有一个随着时间增长的线性电流通过,此电流大小为:

上式中,iμ为励磁电感Lμ中的励磁电流, Iμm为励磁电流的最大值; iμ(0)为流励磁电感Lμ中的初始励磁电流,即时间t = 0时的励磁电流, iμ(0)大小与电源开关管的占空比有关,一般当占空比等于或小于0.5时,iμ(0)等于0。

励磁电感Lμ存储的能量为:

Wμ=Lμ*I2μm/2 (2-138)

当电源开关管Q1由导通到关断瞬间,Lμ励磁电感 存储的能量会产生反电动势,反电动势的大小与电流电感的大小以及电流变化率成正比,即:

eμ=Lμdi/dt(2-139)

(2-139)式中, eμ为励磁电感Lμ产生的反电动势, Lμ为励磁电感的电感量, di/dt为电流变化率,负号表示反电动势的方向与原来电压的方向相反。

求解(2-139)式的结果一般都需要解微分方程,这种计算方法我们在第一章中已经反复用过,下面我们另外介绍一种比较简便的方法,即半波平均值法。

知道了励磁电感中存储的能量,在实际应用中,不用解微分方程同样也可以计算出励磁电感产生的反电动势。励磁电感产生的反电动势由下式求得:

(2-140)式中, Eμ为励磁电感Lμ产生的反电动势(平均值), Wμ为励磁电感存储的能量, toff为电源开关管的关断时间, RL为等效负载电阻(能量泄放电阻),它与流过电源开关管电流的大小或内阻也有很大的关系。

值得说明的是,(2-139)式与(2-140)式中的反电动势在意义上是不同的,(2-139)式中的反电动势为瞬时值,它一个以时间为自变量按指数规律或正弦规律变化的函数;而(2-140)式中的Eμ为平均值,即半波平均值,相当于把电感产生的反电动势等效成一个方波。根据欧拉公式,两个正交指数函数的和正好是一个正弦波,因此,LC谐振电路产生的电压或电流正好是正弦波。另外,当自由振荡起振时,其包络是按指数规律规律增加的,当其产生阻尼振荡时,其包络又是按指数规律规律衰减的。

知道了半波平均值,同样也可以通过它来估算最大值,因为指数函数是变化规律的:当时间t等于τ时(τ为时间常数),函数值的变化量(上升或下降)是最大值的63%;当时间t等于2.3τ时,函数值的变化量是最大值的90%。另外,正弦函数也是有规律的,因此,只要知道电路的时间常数和工作脉冲的宽度,以及半波平均值,就很容易估算出其最大值或瞬时值。

通过对图2-44电路进行详细分析,以及图2-45对应图2-44电路中的各点波形,使我们更容易理解半波平均值的意义。半波平均值就是把一个复杂的波形等效成一个方波。对于一个具有一定电工理论基础的人来说,一般电路中的工作电压波形基本上是了解的,理解半波平均值的意义之后,很容易就会把一个复杂的波形可以看成是一个已知的正弦波(或指数函数波)在上面进行迭加,这样可使问题处理变得非常简单。

从原理上来说,用图2-44的等效电路来等效开关变压器的工作原理还是有些过于简单,因为,在图2-44中,当电源开关管Q1突然关断瞬间,分布电感Ls没有放电回路,即负载电阻为无限大,根据(2-140)式,分布电感Ls两端产生的反电动势将非常大;但实际上,在分布电感 产生反电动势的时候,它是可以通过分布电感两端的分布电容产生并联振荡的,因此,我们可以把图2-44电路进一步改进成如图2-46所示电路。

在图2-46中,Cs1、Cs2都是分布电容,它们对于分布电感 来说,既可以产生串联振荡,又可以产生并联振荡。在电源开关管Q1导通瞬间,分布电感与分布电容主要是产生串联振荡,因为输入电压开始向串联振荡回路提供能量;在电源开关管Q1关断瞬间,分布电感与分布电容主要是产生并联振荡,因为分布电感Ls必须要通过并联回路释放能量。在实际应用中,分布电感Ls相对于励磁电感Lμ来说很小,因此,如果不考虑分布电感Ls 的作用,完全可以把Cs1、Cs2看成是一个分布电容。

由于在变压器线圈中,分布电容和分布电感是由非常多的电容和分布电感互相串、并联在一起组成,如要严格地用集中参数完全把它们等效是很难的。至于等效电路是采用串联还是并联,这主要看它在电路中所起的关键作用。例如,在电源开关管接通时,串联电容的作用是主要的;而在电源开关管关断时,并联电容的作用反而是主要的。

当电源开关管Q1关断瞬间,分布电感Ls产生反电动势将会在分布电感 、Cs1、Cs2组成的LC回路中产生并联振荡,并联振荡回路电容由Cs1和Cs2串联而成,Cs1和Cs2的大小以及比例关系,与变压器线圈的结构有关,线圈的层数越多,串联电容的容量就越大。

从图2-45-c以及(2-140)式还可以看出,分布电感Ls以及励磁电感Lμ产生的反电动势,其幅度一般都等于或大于输入电源电压的幅度(假设占空比等于0.5),即加到电源开关管D极的电压最高可达输入电压的两倍以上。这是因为电源开关管的关断时间一般都很短,而分布电感释放能量时等效负载电阻很大的缘故。因此,如果不对电源开关管采取保护措施,反电动势很容易就把电源开关管击穿。

根据(2-140)式,降低分布电感反电动势幅度的最有效方法是减小负载电阻RL的阻值。除此之外,还可以在谐振回路接入一个由电阻、电容并联,然后与整流二极管串联的反电动势限幅电路,来对分布电感以及励磁电感产生的反电动势进行限幅,如图2-47所示。

图2-47 对分布电感以及励磁电感产生的反电动势进行限幅

在图2-47中,当电容器C1充上一定的电荷之后,其作用就相当于一个稳压二极管,不过这个稳压二极管的稳定电压值是动态的,它会随着反电动势的幅度升高而升高,而整流二极管D1的作用就相当于一个限幅二极管。当反电动势的幅度高于电容器C1两端的电压时,整流二极管D1就导通,反电动势就会向电容器C1充电,使变压器初级线圈的分布电感存储的能量向电容器转移,从而起到降低反电动势幅度的作用,与此同时电阻R1也会吸收一部份能量,使反电动势的幅度进一步降低。

电容器C1在吸收反电动势能量的过程中,其两端电压也会提高,但它可以通过R1进行放电,使电容器两端的电压基本保持在一个合理的范围。即:电容器C1在吸收反电动势的能量是有条件的,只有反电动势的的幅度超过某个值之后,它才开始吸收。正确选择RC放电的时间常数,使电容器在下次充电时的剩余电压刚好略高于方波电压的幅度,而电容充满电的幅度又低于开关管的耐压幅度,此时电源的工作效率最高。

以上我们对开关变压器的工作原理做了的比较详细的分析,但对于要设计一个实际电路中使用开关变压器来说,上面这些这些知识还远远不够,因此,后面我们还会用很大的篇幅来对开关变压器参数设计加以说明。因为,在具体电路中各种开关变压器的技术要求或参数都是不一样的,更多的内容留待我们后面进行具体电路设计时再详细介绍。

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