開關電源原理與設計（連載二十七）雙激式變壓器開關電源

實際上，推挽式變壓器開關電源的反激式輸出電壓也是不能忽略的。推挽式變壓器開關電源變壓器次級線圈的輸出電壓應該同時包括兩部分，正激輸出電壓和反激輸出電壓。不過，在推挽式變壓器開關電源中，輸出功率主要還是以正激式輸出功率為主，因為，變壓器的勵磁電流很小，一般只有正常工作電流的幾分之一，到十分之一。

因此，圖1-27中，當控制開關K1關斷，K2接通瞬間，開關變壓器次級線圈輸出電壓應該等于正激電壓(由(1-128)和(1-129)式給出)與反激電壓(由(1-67)或(1-68)式給出)之和。關于純電阻負載反激式輸出電壓的計算，請參考前面《1-5-1.單激式變壓器開關電源的工作原理》章節(jié)中的相關內容分析，這里不再贅述。

根據(1-67)式

上式中，[uo] 表示開關變壓器次級線圈N3繞組輸出的反激式電壓，[i3] 表示開關變壓器次級線圈N3繞組輸出反激式電壓對負載R產生的電流。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。

另外根據(1-129)式求得的結果，開關變壓器次級線圈N3繞組產生的正激式輸出電壓為：

(uo)=-ne2 = -nUi —— K2接通期間 (1-131)

上面兩式中，[uo]表示開關變壓器次級線圈N3繞組輸出的反激式電壓，(uo)表示開關變壓器次級線圈N3繞組產生的正激式輸出電壓。

因此，開關變壓器次級線圈輸出電壓uo等于正激電壓(uo)與反激電壓[uo]之和，即：

上式是推挽式變壓器開關電源在負載為純電阻時，輸出電壓uo的表達式。由(1-132)式可以看出，當t = 0時，即：控制開關K1關斷瞬間，輸出電壓為最大值：

從(1-133)式可以看出，在控制開關K1關斷瞬間，當變壓器次級線圈回路負載開路，或負載很輕的時候，變壓器次級線圈回路會產生非常高的反電動勢。

但在實際應用中，并不完全是這樣。因為，當控制開關K1關斷瞬間，控制開關K2也會同時接通，此時開關變壓器初級線圈N2繞組也同時被接入電路中，N2線圈繞組對于開關變壓器初級線圈N1繞組來說，它也相當于一個變壓器次級線圈，它也會產生感應電動勢，感應電動勢的方向與輸入電壓Ui的方向正好相反;因此，在控制開關K2接通瞬間，開關變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量有一部分要被N2繞組吸收，并產生感應電流對輸入電壓Ui充電。

(1-132)式和(1-133)式并沒有完全考慮，開關變壓器初級線圈N1繞組和N2繞組被互相看成是一個變壓器次級繞組時，所產生的影響。顯然變壓器次級線圈回路產生反電動勢的高低還與控制開關K1和K2交替接入的時間差有關，與K1和K2的接入電阻的大小還有關。一般電子開關，如晶體管或場效應管，剛開始導通的時候也不能簡單地看成是一個開關，它從截止到導通，或從導通到截止，都需要一個過渡過程，因此，它也會存在一定的開關損耗。

當N1和N2被互相看成是一個變壓器次級繞組時，由于N1線圈繞組存儲的磁能會同時在N1、N2、N3等線圈繞組兩端產生反電動勢或感應電動勢，同理，N2線圈繞組存儲的磁能會同時在N1、N2、N3等線圈繞組兩端產生反電動勢或感應電動勢。

而N1或N2線圈繞組產生的反電動勢或感應電動勢的電流方向正好與輸入電流的方向相反，因此，開關變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組互相感應產生的反電動勢或感應電動勢，會對輸入電壓Ui進行反充電;即：開關變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組互相感應產生的反電動勢或感應電動勢會被Ui進行限幅，這相當于變壓器次級線圈N3繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被Ui進行限幅。

因此，變壓器次級線圈N3繞組輸出電壓uo中的反激式輸出電壓[uo]，并不會像(1-132)和(1-133)算式所表達的結果那么高。

另外，根據(1-75)式：

Upa×Ton = Upa-×Toff —— 一個周期內 (1-75)

還可以知到，當控制開關K1和K2的占空比均等于0.5時，變壓器正激輸出電壓的半波平均值Upa與反激輸出的半波平均值Upa-基本相等。因此，只有在控制開關K2接通與控制開關K1斷開兩者之間存在時間差時，變壓器次級線圈回路才會產生非常高的反電動勢;但當控制開關K1和K2的占空比均小于0.5時，雖然反電動勢的幅度比較高，但由(1-75)式可知，反電動勢(反激輸出電壓)的半波平均值還是小于正激電壓的半波平均值。

所以，(1-132)和(1-133)式所表示的結果，可看成是推挽式變壓器開關電源在輸出電壓中含有毛刺(輸出噪音)的表達式。

根據上面分析，在一般情況下，推挽式變壓器開關電源的輸出電壓uo，主要還是由(1-128)、(1-129)、(1-131)等式來決定。即：推挽式變壓器開關電源的輸出電壓uo，主要由開關電源變壓器次級線圈N3繞組輸出的正激電壓來決定。

圖1-28是圖1-27推挽式變壓器開關電源，在負載為純電阻，且兩個控制開關K1和K2的占空比D均等于0.5時，變壓器初、次級線圈各繞組的電壓、電流波形。

圖1-28

圖1-28-a)和圖1-28-b)分別表示控制開關K1接通時，開關變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓波形，和流過變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流波形;圖1-28-c)和圖1-28-d)分別表示控制開關K2接通時，開關變壓器初級線圈N2繞組兩端的電壓波形，和流過開關變壓器初級線圈N2繞組兩端的電流波形;圖1-28-e)和圖1-28-f)分別表示控制開關K1和K2輪流接通時，開關變壓器次級線圈N3繞組兩端輸出電壓uo的波形，和流過開關變壓器次級線圈N3繞組兩端的電流波形。

從圖1-28-b)和圖1-28-d)中我們可以看出，當控制開關K1或K2接通瞬間，流過變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組的電流，其初始值并不等于0，而是產生一個電流突跳，這是因為變壓器次級線圈N3繞組中有電流流過的原因。

當變壓器次級線圈N3繞組有負載電流流過時，其產生的磁通方向正好與流過變壓器次級線圈N1或N2繞組勵磁電流產生的磁通方向相反，因此，流過變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組的電流也要在原來勵磁電流的基礎上再增加一個電流，來抵消流過變壓器次級線圈N3繞組電流的影響。增加電流的大小等于流過變壓器次級線圈N3繞組電流的n倍，n為變壓器次級線圈N3繞組與初級線圈N1繞組或N2繞組的匝數比。

從圖1-28-f)中我們可以看出，流過開關變壓器次級線圈N3繞組兩端的電流波形是個矩形波，而不是三角波。這是因為推挽式變壓器開關電源同時存在正、反激電壓輸出的緣故。當變壓器同時存在正、反激電壓輸出時，反激式輸出的電流是由最大值開始，然后逐漸減小到最小值，如圖中虛線箭頭所示;而正激式輸出的電流則是由最小值開始，然后逐漸增加到最大值，如圖中實線箭頭所示;因此，兩者同時作用的結果，正好輸出一個矩形波。

從圖1-28-e)還可以看出，輸出電壓uo由兩個部分組成，一部分為輸入電壓Ui通過變壓器初級線圈N1繞組或N2感應到次級線圈N3繞組的正激式輸出電壓(uo)，這個電壓的幅度比較穩(wěn)定，一般不會隨著時間變化而變化;另一部分為勵磁電流通過變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組存儲的磁能量產生的反激式輸出電壓[uo]，這個電壓會使波形產生反沖，其幅度是時間的指數函數，它會隨著時間增大而變變小。

這里還需指出，圖1-28-e)中的波形有上沖，在純電阻負載中是正常的，盡管N1和N2互相都可以把對方看成是變壓器次級繞組，并對高于輸入電壓Ui的反電動勢電壓進行限幅，但因為線圈N1繞組與線圈N2繞組之間有漏感，線圈N2繞組與線圈N3繞組之間也有漏感，況且，控制開關在剛接通瞬間有比較大的電阻，因此，變壓器次級線圈N3繞組瞬間反激輸出電壓高于正激輸出電壓是肯定的。不過在大多數情況下，最好還是采用半波平均值的概念來進行電路分析或計算，以免需要進行復雜的指數函數運算。

當要求推挽式變壓器開關電源輸出電壓波形的反沖幅度很小時，可采用如圖1-29所示的電路。圖1-29與圖1-27相比，多了兩個阻尼二極管D1、D2，它們分別與控制開關K1、K2并聯。當控制開關K1由接通轉換到關斷時，在N2線圈中產生的感應電動勢e2，不管K2處于什么工作狀態(tài)，接通或關斷，只要N2線圈中產生的感應電動勢e2的幅度超過工作電壓Ui，二極管D2就會導通，相當于感應電動勢e2通過二極管D2被工作電壓Ui限幅，同時也相當于變壓器次級線圈N3繞組輸出電壓uo也要通過電磁感應被Ui進行限幅，而二極管D2對控制開關K2的工作幾乎不受影響。

同理，當控制開關K2由接通轉換到關斷時，不管K1處于什么工作狀態(tài)，只要N1線圈中產生的感應電動勢e1的幅度超過工作電壓Ui，二極管D1就會導通，感應電動勢e1就會通過二極管D1被工作電壓Ui限幅，這也相當于變壓器次級線圈N3繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被Ui進行限幅，而二極管D1對控制開關K1的工作幾乎不受影響。

一般人們都把D1、D2稱為阻尼二極管，這是因為D1、D2沒有直接對輸出電壓uo進行限幅，而是通過變壓器初、次級之間的感應作用間接進行的。實際應用中，一般都在開關三極管的E-C或場效應管的S-D兩個電極內部封裝有一個阻尼二極管，其作用就是用來對輸出電壓反沖進行阻尼用的。阻尼二極管D1、D2的另一個作用是防止變壓器初級線圈N1繞組中產生的感應電動勢e1對控制開關K1、K2反向擊穿。