開(kāi)關(guān)變壓器內(nèi)部等效電路分析(1)
開(kāi)關(guān)變壓器的等效電路與一般變壓器的等效電路,雖然看起來(lái)基本沒(méi)有區(qū)別,但開(kāi)關(guān)變壓器的等效電路一般是不能用穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行分析的;等效負(fù)載電阻不是一個(gè)固定參數(shù),它會(huì)隨著開(kāi)關(guān)電源的工作狀態(tài)不斷改變,分布電感與分布電容對(duì)正激式開(kāi)關(guān)電源和反激式開(kāi)關(guān)電源工作的影響也不一樣
(2-122)式中,Cs為變壓器的總分布電容,Cs1為變壓器初級(jí)線圈的分布電容;C1為次級(jí)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(jí)線圈電路中的電容;n = N2/N1為變壓比。
圖2-43開(kāi)關(guān)變壓器的等效電路與一般變壓器的等效電路,雖然看起來(lái)基本沒(méi)有區(qū)別,但開(kāi)關(guān)變壓器的等效電路一般是不能用穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行分析的;即:圖2-43中的等效負(fù)載電阻不是一個(gè)固定參數(shù),它會(huì)隨著開(kāi)關(guān)電源的工作狀態(tài)不斷改變。
例如,在反激式開(kāi)關(guān)電源中,當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),開(kāi)關(guān)變壓器是沒(méi)有功率輸出的,即負(fù)載電阻R等于無(wú)限大;而對(duì)于正激式開(kāi)關(guān)電源,當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),開(kāi)關(guān)變壓器是有功率輸出的,即負(fù)載電阻R既不等于無(wú)限大,也不等于0 。因此,分布電感與分布電容對(duì)正激式開(kāi)關(guān)電源和反激式開(kāi)關(guān)電源工作的影響是不一樣的。
我們先來(lái)看圖2-44,當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí),無(wú)論是對(duì)正激式開(kāi)關(guān)電源或反激式開(kāi)關(guān)電源,漏感Ls都會(huì)對(duì)流過(guò)開(kāi)關(guān)管Q1的電流Id起到限制作用,即降低Id的電流上升率,這對(duì)保護(hù)開(kāi)關(guān)管是有好處的;因?yàn)?,開(kāi)關(guān)管剛導(dǎo)通的時(shí)候,電流在管芯內(nèi)部是以擴(kuò)散的形式由一個(gè)點(diǎn)向整個(gè)面擴(kuò)散的,如果電流上升率太大,很容易使開(kāi)關(guān)管因局部面積電流密度過(guò)大造成損傷。
另外,Ls和Cs可以看成是一個(gè)串聯(lián)振蕩回路,當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)始導(dǎo)通的時(shí)候,輸入脈沖電壓的上升率大于串聯(lián)振蕩回路自由振蕩電壓的上升率,因此,振蕩回路開(kāi)始吸收能量,輸入電壓對(duì)Ls和Cs進(jìn)行充電,此時(shí),振蕩回路會(huì)抑制輸入電流上升率的增長(zhǎng);當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1完全導(dǎo)通以后,開(kāi)關(guān)管完全導(dǎo)通(脈沖進(jìn)入平頂階段),相當(dāng)于輸入脈沖電壓的上升率為0,此時(shí),輸入脈沖電壓的上升率小于串聯(lián)振蕩回路自由振蕩電壓的上升率,因此,振蕩回路開(kāi)始釋放能量,振蕩回路產(chǎn)生阻尼振蕩;
當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通過(guò)后,開(kāi)關(guān)管開(kāi)始關(guān)斷,相當(dāng)于輸入脈沖電壓的上升率為負(fù)(脈沖進(jìn)入反沖階段),此時(shí),輸入脈沖電壓的上升率小于串聯(lián)振蕩回路自由振蕩電壓的上升率,因此,振蕩回路又開(kāi)始再次釋放能量,振蕩回路再次產(chǎn)生阻尼振蕩,如圖2-45所示。
圖4-5-a,是電源開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí),輸入電壓U加于開(kāi)關(guān)變壓器兩端的波形;圖4-5-b,是勵(lì)磁電感或分布電容兩端的電壓波形;圖4-5-c,是電源關(guān)管D、S兩極之間的電壓波形。
在圖4-5-b中,在t0時(shí)刻,電源開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)始導(dǎo)通,輸入電壓U加于開(kāi)關(guān)變壓器兩端,輸入電壓首先通過(guò)分布電感Ls對(duì)分布電容Cs充電,充電過(guò)程是按正弦曲線上升;到t1時(shí)刻,流過(guò)Ls的電流達(dá)到最大值,同時(shí)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(guò)Ls的電流不能為0,Ls將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)繼續(xù)給電容Cs充電。
直到t2時(shí)刻,流過(guò)Ls的電流等于0,電容器Cs充電結(jié)束,同時(shí)Cs兩端的電壓也達(dá)到最大值;然后電容按正弦曲線開(kāi)始放電,流過(guò)Ls的電流開(kāi)始反向,到t3時(shí)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(guò)Ls的電流不能為0,Ls將又產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)給電容Cs進(jìn)行反向充電,所以Cs兩端的電壓低于輸入電壓U。
到t4時(shí)刻,流過(guò)Ls的反向電流等于0,Cs兩端的電壓達(dá)到最低值;然后輸入電壓又開(kāi)始通過(guò)Ls對(duì)Cs進(jìn)行充電,到此分布電感Ls與分布電容Cs第一個(gè)充放電周期結(jié)束。
在t0時(shí)刻,由于輸入電壓的上升率大于分布電感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(shí)間之后,輸入電壓的上升率小于分布電感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(shí)間之后會(huì)產(chǎn)生阻尼振蕩。
這里順便指出,圖2-45-b的波形是很難測(cè)量到的,因?yàn)樗旧隙荚谧儔浩鲀?nèi)部的分布電感Ls與分布電容Cs之間產(chǎn)生,但它會(huì)通過(guò)輻射對(duì)周邊電路造成干擾。
下面我們進(jìn)一步通過(guò)數(shù)學(xué)的計(jì)算方法來(lái)對(duì)電路進(jìn)行詳細(xì)分析。
從(2-128)式可以看出,電容兩端電壓的變化過(guò)程主要由三個(gè)與時(shí)間常數(shù)有關(guān)的變量決定。但如果我們直接用(2-128)式來(lái)求解(2-125)式,結(jié)果將會(huì)變得非常復(fù)雜,為此我們先對(duì)(2-128)式進(jìn)行簡(jiǎn)化。
另外,非齊次微分方程(2-125)式的解應(yīng)該等于齊次微分方程(2-126)式的通解與(2-125)式特解之和。
另外,LC振蕩的幅度對(duì)于正激式開(kāi)關(guān)電源和反激式開(kāi)關(guān)電源是不同的。對(duì)于正激式開(kāi)關(guān)電源,當(dāng)電源開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通的時(shí)候,正好開(kāi)關(guān)變壓器要向負(fù)載輸出能量,等效負(fù)載電阻R的值相對(duì)比較小,即衰減系數(shù)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(gè)振蕩周期過(guò)后,振蕩回路很難再次振蕩起來(lái)。
評(píng)論