詳解開關(guān)電源占空比選擇與比較
占空比是脈沖寬度調(diào)制(PWM)開關(guān)電源的調(diào)制度,開關(guān)電源的穩(wěn)壓功能就是通過自動改變占空比來實現(xiàn)的,開關(guān)電源的輸出電壓與占空比成正比,開關(guān)電源輸出電壓的變化范圍基本上就是占空比的變化范圍。由于開關(guān)電源輸出電壓的變化范圍受到電源開關(guān)管擊穿電壓的限制,因此,正確選擇占空比的變化范圍是決定開關(guān)電源是否可靠工作的重要因素;而占空比的選擇主要與開關(guān)電源變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比有關(guān),因此,正確選擇開關(guān)電源變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比也是一個非常重要的因素。
占空比
占空比一般是指,在開關(guān)電源中,開關(guān)管導(dǎo)通的時間與工作周期之比,即:
式中:D為占空比,Ton為開關(guān)管導(dǎo)通的時間,Toff為開關(guān)管關(guān)斷的時間,T為開關(guān)電源的工作周期。對于一個脈沖波形也可以用占空比來表示。
在反激式開關(guān)電源中,開關(guān)管導(dǎo)通的時候,變壓器次級線圈是沒有功率輸出的,D1、D2有下面關(guān)系:
開關(guān)變壓器初次級線圈的輸出波形
圖是輸出電壓為交流的開關(guān)電源工作原理圖。為了便于分析,我們假說變壓器初次級線圈的變壓比為1:1(即N1=N2,L1=L2),當(dāng)開關(guān)K又導(dǎo)通轉(zhuǎn)斷開時,變壓器初級、次級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢為:
(3)式中:iu為變壓器初級線圈的勵磁電流,由此可知,變壓器初、次級線圈產(chǎn)生的反電動勢主要是由勵磁電流產(chǎn)生的。我們從(2)可以看出,當(dāng)變壓器初、次級線圈的負(fù)載電阻R很大或者開路的情況下,變壓器初、次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢峰值是非常高的,如果這個電壓直接加到電源開關(guān)管兩端,電源開關(guān)管一定會被擊穿。為了便于分析,我們引進(jìn)一個半波平均值的概念,我們把Upa、Upa-分別定義為變壓器初、次級線圈感應(yīng)電動勢正、負(fù)半周的半波平均值。半波平均值就是把反電動勢等效成一個幅度等于Upa或Upa-的方波,如圖中的Upa-所示。
反激式變壓器初次級線圈的輸出波形
圖為反激式開關(guān)電源的工作原理圖,圖為反激式開關(guān)電源變壓器初、次級線圈的波形(N1=N2時)。圖中的Ui、uL1、uL2、Up、Upa、Upa-、Ua、Ua-等前面都已經(jīng)介紹過,圖中只多了一個整流濾波輸出電壓Uo。所謂反激式開關(guān)電源,就是電源開關(guān)管導(dǎo)通時,開關(guān)電源無功率輸出,僅在電源開關(guān)管截止時才有功率輸出。在反激式開關(guān)電源中,由于整流二極管以及儲能濾波電容的作用,它會把變壓器初、次級線圈產(chǎn)生的反電動勢進(jìn)行平均,使峰值脈沖電壓Up(Up-)被平均成半波平均值Upa(Upa-),這相當(dāng)于限幅的作用,因為充滿電的電容相當(dāng)于一個電壓等于Uo的電池。這種限幅作用是假說開關(guān)電源變壓器初、次級線圈沒有漏感的情況下才能成立。
占空比的選擇和計算
1.圖中uL1為變壓器初級線圈N1產(chǎn)生的反電動勢,藍(lán)、紅色箭頭分別表示開關(guān)接通和關(guān)斷時,感應(yīng)電動勢的方向。
2.圖4b藍(lán)色為開關(guān)接通時變壓器初級線圈N1產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢波形;紅色為開關(guān)關(guān)斷時N1產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢波形。
在圖中,由于變壓器存儲的能量和釋放的能量相等,所以藍(lán)色波形的面積等于紅色波形的面積。
即:
Upa-×Ton=Upa×Toff
或
Ui×Ton=Upa×Toff
把占空比:待入上式就可以求得:
Upa=(Ui+Upa)×D………(4)
該式就是我們用來選擇和計算占空比D的關(guān)系式。
由圖中可以看出,(4)式括弧中的值(Ui+Upa)正好就是電源開關(guān)管兩端的電壓,電源開關(guān)管的耐壓有限,因此,開關(guān)電源的最大占空比要受到電源開關(guān)管的最高耐壓BVm值的限制。
在實際應(yīng)用中,由于變壓器初級線圈的漏感是不能忽視的,因為,這個漏感產(chǎn)生的反電動勢不能通過次級整流濾波電路對其進(jìn)行限幅。從(2)式可知,這個反電動勢的峰值非常大。因此,在變壓器初級線圈回路中還要另設(shè)一個限幅電路。
圖中L0為變壓器初級線圈的漏感(一般為5~10%,與初次級線圈的繞法有關(guān)),L0產(chǎn)生的反電動勢會迭加在初級線圈L1產(chǎn)生的半波平均值電壓上。通過D1、C1、R1的作用可以對L0產(chǎn)生的反電動勢進(jìn)行限幅,其半波平均值的大小,可以通過調(diào)整R1和C1的大小來改變,使之不要超過L1產(chǎn)生的半波平均值的5%。
如果把漏感L0產(chǎn)生的反電動勢也一起進(jìn)行考慮,當(dāng)輸入電壓為最大值時,上面(4)式應(yīng)該改寫為:
Upm=(Uim+Upm)Dmax……………(5)
(5)式中,Upm為變壓器初級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的最大峰值,當(dāng)采用限幅電路之后,Upm的值就等于初級線圈L1和L0分別產(chǎn)生反電動勢的半波平均值之和。此值與漏感大小有關(guān),Upm大約比無漏感時的Upa大5~8%。如果把上式括弧(Uim+Upm)中的值換成BVm,則(5)式又可以改寫為:
Upm=BVm×Dmax…………(6)
(6)式中,BVm=(Uim+Upm),為電源開關(guān)管的最高耐壓,Dmax為:當(dāng)輸入電壓為最大值(Uim),且改變占空比使電源開關(guān)管兩端電壓達(dá)到最高耐壓值時,此時占空比所能達(dá)到的最大值,即極限值。
值得指出的是:占空比是隨著輸入電壓變化而變化的,當(dāng)輸入電壓為最大值時,此時動態(tài)變化的D應(yīng)該為最小值Dmin,但(6)式中的極限值Dmax則另有意義,它表示:當(dāng)輸入電壓為最大值,且此時的占空比D也達(dá)到極限值Dmax時,電源開關(guān)管將會過壓被擊穿。因此,實際工作中的最小占空比Dmin應(yīng)該比(6)式中的Dmax小好多,一般取Dmin=0.7Dmax較為合適。由此我們可以得出結(jié)論:
在設(shè)計反激式開關(guān)電源時,可根據(jù)(5)式和(6)式來計算占空比Dmax的最大值。
占空比計算舉例
設(shè)計一個反激式開關(guān)電源,輸入電壓最大值為AC260V,假設(shè),電源開關(guān)管的最大耐壓為650V,求開關(guān)電源的最小占空比Dmin。
第一步,求極限占空比Dmax:
Upm=BVm×Dmax——(6)
已知:
Uim=260×1.414=368(V);
BVm=650V;
Upm=650-368=284(V)
把上面結(jié)果代入(6)式:Upm=BVm×Dmax得:
284=650×Dmax,即:Dmax=0.437
第二步,求最小占空比Dmin:
在實際應(yīng)用中,為了安全,最小占空比Dmin最少要比極限占空比Dmax多留30%的余量,由此可求得:
Dmin=Dmax×0.7=0.437×0.7=0.306……(7)
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