開關變壓器第十五講 內部等效電路分析(1)
發布時間:2009-08-12
開關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別,但開關變壓器的等效電路一般是不能用穩態電路進行分析的;等(deng)效(xiao)負(fu)載(zai)電(dian)阻(zu)不(bu)是(shi)一(yi)個(ge)固(gu)定(ding)參(can)數(shu),它(ta)會(hui)隨(sui)著(zhe)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)不(bu)斷(duan)改(gai)變(bian),分(fen)布(bu)電(dian)感(gan)與(yu)分(fen)布(bu)電(dian)容(rong)對(dui)正(zheng)激(ji)式(shi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)和(he)反(fan)激(ji)式(shi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)工(gong)作(zuo)的(de)影(ying)響(xiang)也(ye)不(bu)一(yi)樣(yang)



(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kai關guan變bian壓ya器qi的de等deng效xiao電dian路lu與yu一yi般ban變bian壓ya器qi的de等deng效xiao電dian路lu,雖sui然ran看kan起qi來lai基ji本ben沒mei有you區qu別bie,但dan開kai關guan變bian壓ya器qi的de等deng效xiao電dian路lu一yi般ban是shi不bu能neng用yong穩wen態tai電dian路lu進jin行xing分fen析xi的de;即:圖2-43中的等效負載電阻不是一個固定參數,它會隨著開關電源的工作狀態不斷改變。
例如,在反激式開關電源中,當開關管導通時,開關變壓器是沒有功率輸出的,即負載電阻R等於無限大;而對於正激式開關電源,當開關管導通時,開關變壓器是有功率輸出的,即負載電阻R既不等於無限大,也不等於0 。因此,分布電感與分布電容對正激式開關電源和反激式開關電源工作的影響是不一樣的。
我們先來看圖2-44,當開關管Q1導通時,無論是對正激式開關電源或反激式開關電源,漏感Ls都會對流過開關管Q1的電流Id起到限製作用,即降低Id的電流上升率,這對保護開關管是有好處的;因yin為wei,開kai關guan管guan剛gang導dao通tong的de時shi候hou,電dian流liu在zai管guan芯xin內nei部bu是shi以yi擴kuo散san的de形xing式shi由you一yi個ge點dian向xiang整zheng個ge麵mian擴kuo散san的de,如ru果guo電dian流liu上shang升sheng率lv太tai大da,很hen容rong易yi使shi開kai關guan管guan因yin局ju部bu麵mian積ji電dian流liu密mi度du過guo大da造zao成cheng損sun傷shang。
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另外,Ls和Cs可以看成是一個串聯振蕩回路,當開關管Q1開始導通的時候,輸入脈衝電壓的上升率大於串聯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,振蕩回路會抑製輸入電流上升率的增長;當開關管Q1完全導通以後,開關管完全導通(脈衝進入平頂階段),相當於輸入脈衝電壓的上升率為0,此時,輸入脈衝電壓的上升率小於串聯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,振蕩回路產生阻尼振蕩;
當開關管Q1導通過後,開關管開始關斷,相當於輸入脈衝電壓的上升率為負(脈衝進入反衝階段),此ci時shi,輸shu入ru脈mai衝chong電dian壓ya的de上shang升sheng率lv小xiao於yu串chuan聯lian振zhen蕩dang回hui路lu自zi由you振zhen蕩dang電dian壓ya的de上shang升sheng率lv,因yin此ci,振zhen蕩dang回hui路lu又you開kai始shi再zai次ci釋shi放fang能neng量liang,振zhen蕩dang回hui路lu再zai次ci產chan生sheng阻zu尼ni振zhen蕩dang,如ru圖tu2-45所示。

圖4-5-a,是電源開關管Q1導通時,輸入電壓U加於開關變壓器兩端的波形;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,電源開關管Q1開始導通,輸入電壓U加於開關變壓器兩端,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將產生反電動勢繼續給電容Cs充電。
直到t2時刻,流過Ls的電流等於0,電容器Cs充電結束,同時Cs兩端的電壓也達到最大值;然後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將又產生反電動勢給電容Cs進行反向充電,所以Cs兩端的電壓低於輸入電壓U。
到t4時刻,流過Ls的反向電流等於0,Cs兩端的電壓達到最低值;然後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束。
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在t0時刻,由於輸入電壓的上升率大於分布電感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時間之後,輸入電壓的上升率小於分布電感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時間之後會產生阻尼振蕩。
這裏順便指出,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部的分布電感Ls與分布電容Cs之間產生,但它會通過輻射對周邊電路造成幹擾。
下麵我們進一步通過數學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有關的變量決定。但如果我們直接用(2-128)式來求解(2-125)式,結果將會變得非常複雜,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)式的解應該等於齊次微分方程(2-126)式的通解與(2-125)式特解之和。




另外,LC振蕩的幅度對於正激式開關電源和反激式開關電源是不同的。對於正激式開關電源,當電源開關管Q1導通的時候,正好開關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,即衰減係數很小,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後,振蕩回路很難再次振蕩起來。
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