單端反激式變換器變壓器工作狀態(tài)分析

單極性開關(guān)電源變換器即激勵(lì)是一個(gè)單向方波脈沖電壓,單端正激式和單端反激式變換器既屬此類。開關(guān)變壓器工作時(shí)磁心中磁通沿著交流磁滯回線的第一象限部分上下移動(dòng),變壓器磁心

圖1 　單極性勵(lì)磁

受單方向勵(lì)磁,磁感應(yīng)強(qiáng)度從最大值Bm 到剩磁Br 之間變化,如圖1 所示。

單端反激式開關(guān)電源一般有兩種工作方式:

1) “完全能量轉(zhuǎn)換(電感電流不連續(xù)) 方式”: 在儲(chǔ)能周期ton中,變壓器儲(chǔ)存的所有能量在反激周期toff中都轉(zhuǎn)換到輸出端。

2) “不完全能量轉(zhuǎn)換(電感電流連續(xù)) 方式”: 儲(chǔ)存在變壓器中的一部分能量在ton末保留到下一個(gè)ton周期的開始。

1 　能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程

T 導(dǎo)通期間,進(jìn)行電能的儲(chǔ)存,由等效電路可知D 處于截止,此時(shí)可以把變壓器看作一個(gè)電感,如圖2 所示。在此期間IL = IP ,原邊電流IP 的變化由dip/ dt = Us/ Lp 決定, IP 線性增加,磁感應(yīng)強(qiáng)度將從Br增加到工作峰值Bw 。

在圖3 中當(dāng)T 關(guān)斷,初級(jí)電流必定為零,D 導(dǎo)通,感應(yīng)電流將出現(xiàn)在副邊,通過(guò)負(fù)載續(xù)流,進(jìn)行能量釋放。工作于完全能量轉(zhuǎn)換方式時(shí),toff總是大于ton ,因此在反激期間,磁感應(yīng)強(qiáng)度將從Bw 下降到Br ,副邊電流將以一定速率衰減,此速率由副邊電壓和副邊電感決定,即:dis/ dt = U’S/ LS采用不完全能量傳遞方式,由于出現(xiàn)了直流分量,為避免磁心飽和需加氣隙,見(jiàn)圖4 。

氣隙的加入,使磁化曲線向H 軸傾斜,磁滯回線與B 軸包圍的面積增加,從而使變壓器傳遞的能量增加。在傳遞一定能量的要求下,可以把△B 的取值設(shè)計(jì)的小一些,以減少磁滯損耗,利于提高工作頻率,進(jìn)一步減小原副邊中的紋電流。

2 　磁心參數(shù)與氣隙的作用

氣隙的加入可使磁滯回線向H 軸傾斜,其斜率隨著氣隙的大小而變化,但有無(wú)氣隙并不影響飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。在有氣隙時(shí),磁強(qiáng)強(qiáng)度H 明顯增大,剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 明顯減小,這些變化,對(duì)反激變換器來(lái)說(shuō)都是非常有利的。如圖5 所示。由于反激變換器的磁心只工作在第一象限,磁心在交流或直流作用下的磁滯回線與氣隙關(guān)系如圖6 所示

2. 1 　在交流電流下氣隙的作用　　　

在開關(guān)T 導(dǎo)通期間所外加的電壓比例于B - H 平面,垂直于△Bac的振幅,對(duì)應(yīng)于橫軸有△Hac的變化。在有氣隙時(shí),B - H 特性斜率減小,曲線向橫軸靠攏,在△Bac不變的情況下, △Hac將大大增加,這相當(dāng)于有效地減小磁心的有效磁導(dǎo)率和減少原邊繞組的匝數(shù),但不能改變交變磁通量或改變磁心的交流性能。　

2. 2 　在直流電流下氣隙的作用

在變壓器繞組中的直流成分可在B - H 回環(huán)的水平軸上產(chǎn)生一直流磁力Hdc (Hdc與直流安匝數(shù)成正比) ,對(duì)于一個(gè)確定的副邊電流負(fù)載,Hdc的值是不確定的。在沒(méi)有飽和的條件下,帶有氣隙磁心可加上更大的H 值(直流電流) ,由圖6 可知,H 的更大值已足以使沒(méi)有氣隙的磁心達(dá)到飽和。因此,有大直流電流時(shí),氣

隙對(duì)防止磁心飽和是有效的?？傊?外加的伏秒值、匝數(shù)和磁心面積決定了B 軸上的△Bac ;直流的平均電流值、匝數(shù)和磁路的長(zhǎng)度決定了H 軸上的Hdc 值的位置?！鰾ac對(duì)應(yīng)了△Hac的范圍,氣隙大, △Hac就大。必須有足夠的線圈匝數(shù)和磁心面積來(lái)平衡外加的伏秒值;必須有足夠的磁心氣隙來(lái)防止飽和狀態(tài)并平衡直流分量。

3 　變壓器中的電感值

由于在T 截止期間,變壓器繞組中儲(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放,因此變壓器初級(jí)繞組電感值不同將直接影響放電時(shí)常數(shù),并且對(duì)電路中的電壓、電流波形都有很大的影響,圖7 給出了電感為不同值時(shí)的電流電壓波形。

從圖中可以看出,電感越小,充電時(shí)常數(shù)越小,峰值電流越大。這不僅使開關(guān)管的開關(guān)應(yīng)力增大,而且造成輸出電壓紋波增大,當(dāng)電感過(guò)小時(shí)會(huì)造成負(fù)載電流不連續(xù)的間斷波形。開關(guān)管T 導(dǎo)通時(shí),在變壓器初級(jí)電感中儲(chǔ)存的能量,在開關(guān)管截止結(jié)束(下一周期導(dǎo)通開始)時(shí)釋放完畢,此時(shí)變壓器初級(jí)繞組所具有的電感值稱為變壓器的臨界電感,其計(jì)算公式為:

當(dāng)初級(jí)電感Lp 大于臨界電感Lmin時(shí),變換器處于“不完全能量轉(zhuǎn)換”方式,此時(shí)峰值電流小,紋波小。但電感過(guò)大,會(huì)造成變壓器體積增大,漏電感上升和成本升高。變壓器原邊繞組的電感值影響變壓器的工作方式,但并不是變壓器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。通常只在設(shè)計(jì)后期才考慮它的大小。

4 　結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)變換器輸入電壓在一個(gè)較大范圍內(nèi)變化,或負(fù)載電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí),變換器必然會(huì)跨越完全能量傳遞和不完全能量傳遞兩種工作方式,因而要求在兩種工作方式下都能穩(wěn)定工作。但要求同一個(gè)電路在兩種方式下都能穩(wěn)定工作,在設(shè)計(jì)上是非常困難的。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看,選擇“不完全能量傳遞”方式,對(duì)于電路的實(shí)現(xiàn)和性能的保證都是比較容易的。

該方式由于產(chǎn)生了直流分量,因而必須在磁心中加入氣隙以防止飽和,但氣隙的加入只能增大磁場(chǎng)強(qiáng)度和降低剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度,并不能使飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度降低。變壓器是開關(guān)變換器中必備的元器件。由于其涉及的參數(shù)太多,如電壓、電流、頻率、溫度、能量、電感值、變、漏電感、磁材料參數(shù)、銅損、鐵損等;各種參數(shù)不同額定值的組合,使磁性材料的規(guī)格極其繁多,廠家為用戶備好現(xiàn)貨是不可能的。所以變壓器不象電子元件可以有現(xiàn)成的成品選擇,大多數(shù)情況下需要自行設(shè)計(jì)或提供參數(shù)委托設(shè)計(jì)加工。而變壓器性能的好壞,不僅影響其本身的發(fā)熱和效率等,還會(huì)影響到開關(guān)電源的技術(shù)性能和可靠性。因此,正確掌握變壓器的工作狀態(tài)就具有重要的意義。