開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)(連載76)

從原理上來(lái)說(shuō)，用圖2-44的等效電路來(lái)等效開關(guān)變壓器的工作原理還是有些過于簡(jiǎn)單，因?yàn)?，在圖2-44中，當(dāng)電源開關(guān)管Q1突然關(guān)斷瞬間，分布電感Ls沒有放電回路，即負(fù)載電阻為無(wú)限大，根據(jù)（2-140）式，分布電感Ls兩端產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)將非常大；但實(shí)際上，在分布電感 產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的時(shí)候，它是可以通過分布電感兩端的分布電容產(chǎn)生并聯(lián)振蕩的，因此，我們可以把圖2-44電路進(jìn)一步改進(jìn)成如圖2-46所示電路。

在圖2-46中，Cs1、Cs2都是分布電容，它們對(duì)于分布電感 來(lái)說(shuō)，既可以產(chǎn)生串聯(lián)振蕩，又可以產(chǎn)生并聯(lián)振蕩。在電源開關(guān)管Q1導(dǎo)通瞬間，分布電感與分布電容主要是產(chǎn)生串聯(lián)振蕩，因?yàn)檩斎腚妷洪_始向串聯(lián)振蕩回路提供能量；在電源開關(guān)管Q1關(guān)斷瞬間，分布電感與分布電容主要是產(chǎn)生并聯(lián)振蕩，因?yàn)榉植茧姼蠰s必須要通過并聯(lián)回路釋放能量。在實(shí)際應(yīng)用中，分布電感Ls相對(duì)于勵(lì)磁電感Lμ來(lái)說(shuō)很小，因此，如果不考慮分布電感Ls 的作用，完全可以把Cs1、Cs2看成是一個(gè)分布電容。

由于在變壓器線圈中，分布電容和分布電感是由非常多的電容和分布電感互相串、并聯(lián)在一起組成，如要嚴(yán)格地用集中參數(shù)完全把它們等效是很難的。至于等效電路是采用串聯(lián)還是并聯(lián)，這主要看它在電路中所起的關(guān)鍵作用。例如，在電源開關(guān)管接通時(shí)，串聯(lián)電容的作用是主要的；而在電源開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，并聯(lián)電容的作用反而是主要的。

當(dāng)電源開關(guān)管Q1關(guān)斷瞬間，分布電感Ls產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)將會(huì)在分布電感 、Cs1、Cs2組成的LC回路中產(chǎn)生并聯(lián)振蕩，并聯(lián)振蕩回路電容由Cs1和Cs2串聯(lián)而成，Cs1和Cs2的大小以及比例關(guān)系，與變壓器線圈的結(jié)構(gòu)有關(guān)，線圈的層數(shù)越多，串聯(lián)電容的容量就越大。

從圖2-45-c以及（2-140）式還可以看出，分布電感Ls以及勵(lì)磁電感Lμ產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，其幅度一般都等于或大于輸入電源電壓的幅度（假設(shè)占空比等于0.5），即加到電源開關(guān)管D極的電壓最高可達(dá)輸入電壓的兩倍以上。這是因?yàn)殡娫撮_關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間一般都很短，而分布電感釋放能量時(shí)等效負(fù)載電阻很大的緣故。因此，如果不對(duì)電源開關(guān)管采取保護(hù)措施，反電動(dòng)勢(shì)很容易就把電源開關(guān)管擊穿。

根據(jù)（2-140）式，降低分布電感反電動(dòng)勢(shì)幅度的最有效方法是減小負(fù)載電阻RL的阻值。除此之外，還可以在諧振回路接入一個(gè)由電阻、電容并聯(lián)，然后與整流二極管串聯(lián)的反電動(dòng)勢(shì)限幅電路，來(lái)對(duì)分布電感以及勵(lì)磁電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行限幅，如圖2-47所示。

圖2－47 對(duì)分布電感以及勵(lì)磁電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行限幅

在圖2-47中，當(dāng)電容器C1充上一定的電荷之后，其作用就相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓二極管，不過這個(gè)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓值是動(dòng)態(tài)的，它會(huì)隨著反電動(dòng)勢(shì)的幅度升高而升高，而整流二極管D1的作用就相當(dāng)于一個(gè)限幅二極管。當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)的幅度高于電容器C1兩端的電壓時(shí)，整流二極管D1就導(dǎo)通，反電動(dòng)勢(shì)就會(huì)向電容器C1充電，使變壓器初級(jí)線圈的分布電感存儲(chǔ)的能量向電容器轉(zhuǎn)移，從而起到降低反電動(dòng)勢(shì)幅度的作用，與此同時(shí)電阻R1也會(huì)吸收一部份能量，使反電動(dòng)勢(shì)的幅度進(jìn)一步降低。

電容器C1在吸收反電動(dòng)勢(shì)能量的過程中，其兩端電壓也會(huì)提高，但它可以通過R1進(jìn)行放電，使電容器兩端的電壓基本保持在一個(gè)合理的范圍。即：電容器C1在吸收反電動(dòng)勢(shì)的能量是有條件的，只有反電動(dòng)勢(shì)的的幅度超過某個(gè)值之后，它才開始吸收。正確選擇RC放電的時(shí)間常數(shù)，使電容器在下次充電時(shí)的剩余電壓剛好略高于方波電壓的幅度，而電容充滿電的幅度又低于開關(guān)管的耐壓幅度，此時(shí)電源的工作效率最高。

以上我們對(duì)開關(guān)變壓器的工作原理做了的比較詳細(xì)的分析，但對(duì)于要設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際電路中使用開關(guān)變壓器來(lái)說(shuō)，上面這些這些知識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此，后面我們還會(huì)用很大的篇幅來(lái)對(duì)開關(guān)變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)加以說(shuō)明。因?yàn)?，在具體電路中各種開關(guān)變壓器的技術(shù)要求或參數(shù)都是不一樣的，更多的內(nèi)容留待我們后面進(jìn)行具體電路設(shè)計(jì)時(shí)再詳細(xì)介紹。