1-8-3-1.全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理
圖 1-47 是全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理圖。圖中,K1、K2、K3、K4 是4 個(gè)控制開關(guān),它們被分成兩組;K1 和K4 為一組,K2 和K3 為另一組。開關(guān)電源工作的時(shí)候,總是一組接通,另一組關(guān)斷,兩組控制開關(guān)輪流交替工作;T 為開關(guān)變壓器,N1 為變壓器的初級(jí)線圈,N2 為變壓器的次級(jí)線圈;Ui 為直流輸入電壓,R 為負(fù)載電阻;uo 為輸出電壓,io 為流過負(fù)載的電流。
從圖1-47 原理圖中可以看出,控制開關(guān)K1 和K4 與控制開關(guān)K2 和K3 正好組成一個(gè)電橋的兩臂,變壓器作為負(fù)載被跨接于電橋兩臂的中間。因此,我們把圖1-47 的電路稱為全橋式開關(guān)電源電路。
圖 1-47 中,當(dāng)控制開關(guān)K1 和K4 接通時(shí)候,電源電壓Ui 被加到變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的a、b 兩端,同時(shí),由于電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級(jí)線圈N2 繞組的兩端也會(huì)輸出一個(gè)與N1 繞組輸入電壓Ui 成正比的電壓,并加到負(fù)載R 的兩端,使開關(guān)電源輸出一個(gè)正半周電壓。
當(dāng)控制開關(guān)控制開關(guān)K1 和K4 由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時(shí)候,控制開關(guān)K2 和K3 則由關(guān)斷轉(zhuǎn)為接通,電源電壓Ui 被加到變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的b、a 兩端;同理,由于電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級(jí)線圈N2 繞組的兩端也會(huì)輸出一個(gè)與N1 繞組輸入電壓成正比的電壓,并加到負(fù)載R 的兩端,使開關(guān)電源輸出一個(gè)負(fù)半周電壓。
全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理與推挽式變壓器開關(guān)電源以及半橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理是很相似的,因此,分析方法也基本相同。下面我們進(jìn)一步詳細(xì)分析全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理。
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專題:陶顯芳老師30年經(jīng)驗(yàn)大分享,開關(guān)電源設(shè)計(jì)那些事兒
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【連載7】陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)
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當(dāng)控制開關(guān)K1 和K4 接通時(shí)候,電源電壓Ui 被加到變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的a、b 兩端,在變壓器初級(jí)線圈N1 繞組中將有電流經(jīng)過,通過電磁感應(yīng)會(huì)在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場(chǎng),并產(chǎn)生磁力線;同時(shí),在初級(jí)線圈N1 繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)e1,在次級(jí)線圈N2 繞組的兩端也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2;感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2 作用于負(fù)載R 的兩端,從而產(chǎn)生負(fù)載電流。
因此,在初、次級(jí)電流的共同作用下,在變壓器的鐵心中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由流過變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)的大小可用磁力線通量(簡(jiǎn)稱磁通量),即磁力線的數(shù)目φ 來表示。
如果用φ1 來表示變壓器初級(jí)線圈N1 繞組電流產(chǎn)生的磁通量,用φ 2 來表示變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通量,由于變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向總是相反,則在控制開關(guān)K1 和K4接通期間,由流過變壓器初、次級(jí)線圈電流在變壓器鐵心中產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的總磁通量φ 為:
其中變壓器初級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通φ1 還可以分成兩個(gè)部分,一部分用來抵消變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通φ2,記為φ10,另一部分是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通,記為Δφ1。顯然φ10 =-φ2,Δφ1 = φ。即:變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量φ,只與流過變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流有關(guān),與流過變壓器次級(jí)線圈中的電流無關(guān);流過變壓器次級(jí)線圈中的電流產(chǎn)生的磁通,完全被流過變壓器初級(jí)線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。
根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組回路列出方程:
上式中,e1 為變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì),Uab為電源加于變壓器初級(jí)線圈N1 繞組兩端的電壓,Uab= Ui ,dφ/dt變壓器鐵心中磁通的變化率。
同樣,可以對(duì)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組回路列出方程:
上式中,(Up)為開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組正激輸出電壓的幅值,用括弧匡住來表示。由于流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的勵(lì)磁電流或開關(guān)變壓器鐵心中的磁通是線性變化的,所以我們可認(rèn)為開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組正激輸出電壓是一個(gè)方波。方波的幅值Up 與半波平均值Upa以及有效值Uo 三者完全相等。
根據(jù)(1-180)式和(1-181)式可以求得:
(1-182)式就是全橋式變壓器開關(guān)電源正激輸出時(shí)的電壓關(guān)系式。上式中,(Up)為開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組正激輸出電壓的幅值;Ui 為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的輸入電壓;n 為變壓器次、初級(jí)線圈的變壓比,即:開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓與初級(jí)線圈輸入電壓之比,n 也可以看成是開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組與初級(jí)線圈N1 繞組的匝數(shù)比,即:n = N2/N1。
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由此可知,在控制開關(guān)K1 和K4 接通期間,全橋式變壓器開關(guān)變壓器次級(jí)輸出的正激電壓幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級(jí)變壓比有關(guān)系。
同理我們也可以求得,當(dāng)控制開關(guān)K2 和K3 接通時(shí),開關(guān)變壓器N2 線圈繞組輸出的正激電壓幅值(Up-)為:
上式中的負(fù)號(hào)表示e2 的符號(hào)與(1-182)中的符號(hào)相反,(Up-)表示與(Up)的極性相反,因?yàn)閁ab=-Uba。
這里還需指出,(1-182)式和(1-183)式列出的計(jì)算結(jié)果,并沒有考慮控制開關(guān)K1 和K4 或K2 和K3 關(guān)斷瞬間,勵(lì)磁電流存儲(chǔ)的能量產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的影響。當(dāng)控制開關(guān)K1 和K4 或K2 和K3關(guān)斷瞬間,流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流由最大值突然下降為零,使開關(guān)變壓器鐵心中的磁通量也要跟著產(chǎn)生變化;即:開關(guān)變壓器的初、次級(jí)線圈中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是勵(lì)磁電流存儲(chǔ)于關(guān)變壓器鐵心中的磁能量產(chǎn)生的;這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)于變壓器次級(jí)線圈電壓輸出繞組來說,屬于反激式輸出。即:全橋式變壓器開關(guān)電源同時(shí)存在正、反激電壓輸出。
反激式電壓產(chǎn)生的原因是因?yàn)镵1 和K4 或K2 和K3 接通瞬間變壓器初級(jí)或次級(jí)線圈中的電流初始值不等于零,或磁通的初始值不等于零。
實(shí)際上,全橋式變壓器開關(guān)電源的反激式輸出電壓部分是不能忽略的。全橋式變壓器開關(guān)變壓器次級(jí)線圈的輸出電壓應(yīng)該同時(shí)包括兩部分,正激輸出電壓和反激輸出電壓。
因此,圖1-47 中,當(dāng)控制開關(guān)K1 和K4 關(guān)斷,K2 和K3 接通瞬間,開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓應(yīng)該等于正激電壓與反激電壓之和。正激電壓的計(jì)算可由(1-182)式和(1-183)式給出,反激電壓的計(jì)算可由(1-67)或(1-68)式給出。關(guān)于純電阻負(fù)載反激式輸出電壓的計(jì)算,請(qǐng)參考前面《1-5-1.單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理》章節(jié)中的相關(guān)內(nèi)容分析,這里不再贅述。
根據(jù)(1-67)式:
可求得,開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組產(chǎn)生的反激式輸出電壓為:
上式中,[uo] 表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組輸出的反激式電壓,[i2] 表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組輸出反激式電壓對(duì)負(fù)載R 產(chǎn)生的電流。
另外根據(jù)(1-183)式求得的結(jié)果,開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓為:
上面兩式中,[uo] 表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組產(chǎn)生的反激式輸出電壓,(uo)表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓。
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因此,開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓uo 等于正激電壓(uo)與反激電壓[uo]之和,即:
(1-186)式就是全橋式變壓器開關(guān)電源在負(fù)載為純電阻時(shí),輸出電壓uo 的表達(dá)式。由(1-186)式可以看出,當(dāng)t = 0 時(shí),即:控制開關(guān)K1 關(guān)斷瞬間,輸出電壓有最大值:
從(1-187)式可以看出,在控制開關(guān)K1 和K4 關(guān)斷瞬間,當(dāng)變壓器次級(jí)線圈回路負(fù)載開路,或負(fù)載很輕的時(shí)候,變壓器次級(jí)線圈回路會(huì)產(chǎn)生非常高的反電動(dòng)勢(shì)。
但在實(shí)際應(yīng)用中,并不完全是這樣。因?yàn)?,?dāng)控制開關(guān)K1 和K4 關(guān)斷瞬間,控制開關(guān)K2 和K3 也會(huì)同時(shí)接通,此時(shí)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組同時(shí)也被接到另一個(gè)電路中,即:原來電源Ui 是通過K1 和K4 把電壓加到開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組a、b 的兩端,對(duì)開關(guān)變壓器進(jìn)行供電;
當(dāng)K2 和K3 接通后,電源Ui 則通過K2 和K3 把電壓加到開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組b、a 的兩端,開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)首先要通過K2 和K3 對(duì)電源Ui 進(jìn)行供電,然后電源Ui 才通過初級(jí)線圈N1 繞組b、a 的兩端對(duì)關(guān)變壓器進(jìn)行供電。
這樣,就相當(dāng)于通過控制開關(guān)K2 和K3 與K1 和K4 不停地對(duì)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組進(jìn)行換相的同時(shí),電源在開始對(duì)變壓器供電的時(shí)候,也對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行限幅。因此,變壓器次級(jí)線圈N2 繞組輸出電壓uo 中的反激式輸出電壓 [uo],并不會(huì)像(1-186)和(1-187)算式所表達(dá)的結(jié)果那么高。
另外,全橋式變壓器開關(guān)電源與其它雙激式開關(guān)電源一樣,在設(shè)計(jì)的時(shí)候一般都把開關(guān)變壓器的伏秒容量取得很大,勵(lì)磁電流取得很小,反電動(dòng)勢(shì)(反激輸出電壓)的半波平均值還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正激電壓的半波平均值。因此,反電動(dòng)勢(shì)電壓的幅度可能很高,但能量不會(huì)很大,即:反電動(dòng)勢(shì)脈沖的寬度很窄。
所以,(1-186)和(1-187)式所表示的結(jié)果,可看成是全橋式變壓器開關(guān)電源在輸出電壓中含有毛刺(輸出噪音)的表達(dá)式。
根據(jù)上面分析,在一般情況下,全橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo,主要還是由(1-181)、(1-182)、(1-183)等式來決定。即:全橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo,主要由開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組輸出的正激電壓來決定。
在實(shí)際應(yīng)用中,為防止變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)把開關(guān)器件擊穿,降低開關(guān)器件半導(dǎo)通狀態(tài)期間的損耗和全橋式變壓器開關(guān)電源輸出電壓波形的反沖幅度,一般可在圖1-47 中4 個(gè)控制開關(guān),每個(gè)控制開關(guān)的兩端都并聯(lián)一個(gè)阻尼二極管,請(qǐng)參考圖1-29 和圖1-38 及相關(guān)說明。全橋式變壓器開關(guān)電源的交流輸出波形與推挽式變壓器開關(guān)電源以及半橋式變壓器開關(guān)電源的交流輸出波形也基本相同,請(qǐng)參考圖1-28 和圖1-37及相關(guān)說明。
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1-8-3-2.整流輸出全橋式變壓器開關(guān)電源
圖 1-48 是全波整流輸出全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理圖;圖1-49 是輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理圖。
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