工作原理:推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖一所示。它屬于雙端式變換電路,高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個(gè)開關(guān)管VT1和VT2,兩個(gè)開關(guān)管在外激勵(lì)方波信號(hào)的控制下交替的導(dǎo)通與截止,在變壓器T次級(jí)統(tǒng)組得到方波電壓,經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?ensp;
這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開關(guān)管容易驅(qū)動(dòng),主要缺點(diǎn)是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大,一般在100-500 W范圍內(nèi)。
整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源工作原理
整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源,由于兩個(gè)開關(guān)管輪流交替工作,相當(dāng)于兩個(gè)開關(guān)電源同時(shí)輸出功率,其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此,推挽式變壓器開關(guān)電源輸出功率很大,工作效率很高,經(jīng)橋式整流或全波整流后,僅需要很小的濾波電感和電容,其輸出電壓紋波就可以達(dá)到非常小。
圖1-30是橋式整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源工作原理圖,除了整流濾波電路以外,其余部分電路的工作原理基本與圖1-27相同。橋式整流電路由D1、D2、D3、D4組成,C為儲(chǔ)能濾波電容,R為負(fù)載電阻,Uo為直流輸出電壓,Io為流過負(fù)載電阻的電流。
圖1-31是全波整流輸出的推挽式變壓器開關(guān)電源工作原理圖,同樣,除了整流濾波電路以外,其余部分電路的工作原理基本與圖1-27和圖1-30相同。但開關(guān)變壓器的次級(jí)需要多一個(gè)繞組,兩個(gè)繞組N31、N32輪流輸出電壓;全波整流電路由D1、D2組成,C為儲(chǔ)能濾波電容,R為負(fù)載電阻,Uo為直流輸出電壓,Io為流過負(fù)載電阻的電流。
圖1-30與圖1-31比較,橋式整流輸出的推挽式變壓器開關(guān)電源比全波整流輸出的推挽式變壓器開關(guān)電源多用兩個(gè)整流二極管,但全波整流輸出的開關(guān)變壓器又比橋式整流輸出的開關(guān)變壓器多一組次級(jí)線圈。因此,圖1-30橋式整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源比較適用于輸出電流相對(duì)較小的情況;而圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源比較適用于輸出電流相對(duì)較大的情況。因?yàn)?,大電流整流二極管成本高,而且損耗功率也比較大。
下面我們來(lái)詳細(xì)分析圖1-30橋式整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源和圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源的工作原理。
由于圖1-30橋式整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源或圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源的電壓輸出電路中都接有儲(chǔ)能濾波電容,儲(chǔ)能濾波電容會(huì)對(duì)輸入脈動(dòng)電壓起到平滑的作用,因此,圖1-30和圖1-31中輸出電壓Uo都不會(huì)出現(xiàn)很高幅度的電壓反沖,其輸出電壓的峰值Up基本上就可以認(rèn)為是半波平均值Upa。其值略大于正激輸出nUi,即:橋式整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源或全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源,整流濾波輸出電壓Uo的值略大于正激輸出nUi,n為變壓器次級(jí)線圈N3繞組與初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比。
因此,推挽式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo,主要還是由(1-131)式來(lái)決定。即:推挽式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo(K1或K2接通期間),約等于開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓Up或Up-的半波平均值Upa或Upa-:
uo = Upa = nUi —— K1接通期間 (1-134)
或uo = Upa- =-nUi —— K2接通期間 (1-135)
上式中,uo為推
挽式變壓
器開關(guān)電源的輸出電壓,n為變壓器次級(jí)線圈N3繞組與初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比,Ui為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的輸入電壓。
圖1-32是橋式整流輸出或全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源,在兩個(gè)控制開關(guān)K1和K2交替接通和斷開,且占空比D均等于0.5時(shí),各主要工作點(diǎn)的電壓、電流波形。
圖1-32-a)和圖1-32-b)分別表示控制開關(guān)K1接通時(shí),開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電壓u1的波形,以及流過變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電流i1波形;圖1-32-c)和圖1-32-d)分別表示控制開關(guān)K2接通時(shí),開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N2繞組兩端的電壓u2的波形,以及流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N2繞組兩端的電流i2的波形;圖1-32-e)和圖1-32-f)分別表示控制開關(guān)K1和K2輪流接通時(shí),開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓uo的波形,以及流過開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端的電流波形。
圖1-32-f)中,虛線箭頭表示反激式輸出電流是由最大值開始,然后逐漸減小到最小值;而實(shí)線箭頭表示正激式輸出電流則是由最小值開始,然后逐漸增加到最大值;因此,兩者同時(shí)作用的結(jié)果,正好輸出一個(gè)矩形波。
從圖1-32-e)可以看出,輸出電壓uo雖然還是由兩個(gè)部分組成,一部分為輸入電壓Ui通過變壓器初級(jí)線圈N1繞組或N2感應(yīng)到次級(jí)線圈N3繞組的正激式輸出電壓(uo);另一部分為勵(lì)磁電流通過變壓器初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組存儲(chǔ)的能量產(chǎn)生的反激式輸出電壓[uo];這里反激式輸出電壓[uo]不會(huì)再使波形產(chǎn)生反沖,是因?yàn)閮?chǔ)能濾波電容會(huì)把反沖電壓吸收掉,使其成為充電流。
由于推挽式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的半波平均值Upa幅值基本上是穩(wěn)定的,它不會(huì)像反激式輸出開關(guān)電源那樣,輸出電壓的幅值隨著控制開關(guān)占空比的改變而改變。因此,如果需要調(diào)整推挽式變壓器開關(guān)電源輸出電壓,只能通過改變兩個(gè)控制開關(guān)的占空比,來(lái)改變輸出電壓的平均值。因此,在輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源電路中,必須要在整流輸出電路后面加接一個(gè)LC儲(chǔ)能濾波電路,才能從整流輸出的脈動(dòng)直流電壓中提取平均值輸出。
圖1-33是輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源電路。實(shí)際上圖1-33就是在圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源電路的基礎(chǔ)上,在整流輸出電路后面加接了一個(gè)LC儲(chǔ)能濾波電路。LC儲(chǔ)能濾波電路的工作原理與圖1-2串聯(lián)式開關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電路工作原理基本相同。不過,在全波整流輸出的LC儲(chǔ)能濾波電路中可以省去一個(gè)續(xù)流二極管,因?yàn)橛糜谌ㄕ鞯膬蓚€(gè)二極管可以輪流充當(dāng)續(xù)流二極管的作用。關(guān)于LC儲(chǔ)能濾波電路的詳細(xì)工作原理,請(qǐng)參考《1-2-2.串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路》章節(jié)。
由于圖1-33中兩個(gè)控制開關(guān)占空比D的可調(diào)范圍很?。ㄐ∮?.5),并且在一個(gè)周期內(nèi)兩個(gè)控制開關(guān)均需要接通和關(guān)
斷一次,
因此,輸出電壓的可調(diào)范圍相對(duì)來(lái)說要比單激式開關(guān)電源輸出電壓的可調(diào)范圍小很多;但雙激式開關(guān)電源比單激式開關(guān)電源,具有輸出功率大、電壓紋波小、電壓輸出特性好等優(yōu)點(diǎn)。
圖1-34是輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源各主要工作點(diǎn)的電壓、電流波形。
圖1-34-a)表示控制開關(guān)K1接通時(shí),開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電壓波形;圖1-34-b)表示控制開關(guān)K2接通時(shí),開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N2繞組兩端的電壓波形;圖1-34-c)表示控制開關(guān)K1和K2輪流接通時(shí),開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓uo的波形。圖1-34-d)表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓經(jīng)全波整流后的電壓波形。
圖1-34-c)中,Up、Up-分別表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓uo的正最大值(半波平均值)和負(fù)最大值(半波平均值),[Up]、[Up-]分別表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端反激輸出電壓的正最大值(半波平均值)和負(fù)最大值(半波平均值)。
這里還需再次說明,實(shí)際上反激輸出電壓[Up]和[Up-]的脈沖幅度都很高,只不過它的能量很小,即寬度很窄,其幅度被限幅和平均以后就變得很低了。在整流輸出電路中,反激輸出電壓[Up]、[Up-]的幅度一般都不會(huì)高于Up、Up-的幅度,其幅度高于Up、Up-將要被濾波電容兩端的電壓限幅,或通過變壓器兩個(gè)初級(jí)線圈的互感作用被輸入電源電壓限幅。
圖1-34-d)中,實(shí)線波形對(duì)應(yīng)控制開關(guān)K1接通時(shí),開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓經(jīng)橋式或全波整流后的波形;虛線波形對(duì)應(yīng)控制開關(guān)K2接通時(shí),開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓經(jīng)橋式或全波整流后的波形。Ua表示整流輸出電壓的平均值。
從圖1-34-d)可以看出,僅用儲(chǔ)能電容對(duì)整流輸出電壓進(jìn)行濾波,是很難從脈動(dòng)直流中取出輸出電壓的平均值的,必須同時(shí)使用儲(chǔ)能濾波電感才能取出輸出電壓的平均值。
圖1-33中,儲(chǔ)能濾波電感和儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算,與圖1-2的串聯(lián)式開關(guān)電源中儲(chǔ)能濾波電感和儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算方法很相似。根據(jù)圖1-33和圖1-34,我們把整流輸出電壓uo和LC濾波電路的電壓uc、電流iL畫出如圖1-35,以便用來(lái)計(jì)算推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容的參數(shù)。
圖1-35-a)是整流輸出電壓uo的波形圖。實(shí)線表示控制開關(guān)K1接通時(shí),推挽式變壓器開關(guān)電源開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組輸出電壓經(jīng)整流后的波形;虛線表示控制開關(guān)K2接通時(shí),推挽式變壓器開關(guān)電源開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組輸出電壓經(jīng)整流后的波形。Up表示整流輸出峰值電壓(正激輸出電壓),Up-表示整流輸出最低電壓(反激輸出電壓),Ua表示整流輸出電壓的平均值。
圖1-35-b)是濾波電容器兩端電壓的波形圖,或?yàn)V波電路輸出電壓的波形圖。Uo表示輸出電壓,或
濾波電容
器兩端電壓的平均值;ΔUc表示電容充電電壓增量,2ΔUc等于輸出電壓紋波。
1-8-1-3-1.推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感參數(shù)的計(jì)算
在圖1-33中,當(dāng)控制開關(guān)K1接通時(shí),輸入電壓Ui通過控制開關(guān)K1加到開關(guān)變壓器線圈N1繞組的兩端,在控制開關(guān)K1接通Ton期間,開關(guān)變壓器線圈N3繞組輸出一個(gè)幅度為Up(半波平均值)的正激電壓uo,然后加到儲(chǔ)能濾波電感L和儲(chǔ)能濾波電容C組成的濾波電路上,在此期間儲(chǔ)能濾波電感L兩端的電壓eL為:
eL = Ldi/dt = Up – Uo —— K1接通期間 (1-136)
式中:Ui為輸入電壓,Uo為直流輸出電壓,即:Uo為濾波電容兩端電壓uc的平均值。
在此順便說明:由于電容兩端的電壓變化增量ΔU相對(duì)于輸出電壓Uo來(lái)說非常小,為了簡(jiǎn)單,我們這里把Uo當(dāng)成常量來(lái)處理。
對(duì)(1-136)式進(jìn)行積分得:
式中i(0)為初始電流(t = 0時(shí)刻流過電感L的電流),即:控制開關(guān)K1剛接通瞬間,流過電感L的電流,或稱流過電感L的初始電流。從圖1-35中可以看出i(0)= Ix 。
當(dāng)控制開關(guān)K由接通期間Ton突然轉(zhuǎn)換到關(guān)斷期間Toff的瞬間,流過電感L的電流iL達(dá)到最大值:
(1-139)和(1-140)式就是計(jì)算推挽式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的表達(dá)式。式中,Uo為推挽式變壓器開關(guān)電源輸出電壓,Ui為推挽式變壓器開關(guān)電源輸入電壓,Up為推挽式變壓器開關(guān)電源開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組的正激輸出電壓,Up-為推挽式變壓器開關(guān)電源開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組的反激輸出電壓,n為開關(guān)電源次級(jí)線圈N3繞組與初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比。
根據(jù)上面分析結(jié)果,(1-138)式可以寫為:
由(1-75)式可知,當(dāng)控制開關(guān)K1、K2的占空比均為0.5時(shí),Upa與Upa-基本相等,由此我們也可以認(rèn)為Up與Up-基本相等。
由于,當(dāng)控制開關(guān)K1、K2的占空比均為0.5時(shí),(1-141)式和(1-142)式的計(jì)算結(jié)果為0。因此,當(dāng)控制開關(guān)K1、K2的占空比均為0.5時(shí),推挽式變壓器開關(guān)電源經(jīng)整流后輸出的電壓波形基本上是純直流,沒有交流成分,輸出電壓Uo等于最大值Up,因此,可以不需要儲(chǔ)能電感濾波。
但是,如果要求輸出電壓可調(diào),推挽式變壓器開關(guān)電源的兩個(gè)控制開關(guān)K1、K2的占空比必須要小于0.5;因?yàn)橥仆焓阶儔浩鏖_關(guān)電源正反激兩種狀態(tài)都有電壓輸出,所以在同樣輸出電壓(平均值)的情況下,兩個(gè)控制開關(guān)K1、K2的占空比相當(dāng)于要小一倍。由此可知,當(dāng)要求輸出電壓可調(diào)范圍為最大時(shí),占空比最好取值為0.25。
當(dāng)兩個(gè)控制開關(guān)K1、K2的占空比取值均為0.25時(shí),Upa = 3Upa-,由此我們也可以認(rèn)為Up等于3Up-。把上面已知條件代入(1-1
42)式,
可求得:
(1-143)、(1-144)、(1-145)式就是計(jì)算推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感和濾波輸出電壓的表達(dá)式(D為0.25時(shí))。式中Uo為推挽式變壓器開關(guān)電源輸出電壓,Ui為推挽式變壓器開關(guān)電源輸入電壓,T為控制開關(guān)的工作周期,F(xiàn)為控制開關(guān)的工作頻率,n為開關(guān)電源次級(jí)線圈N3繞組與初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比。
同理,(1-143)、(1-144)、(1-145)式的計(jì)算結(jié)果,只給出了計(jì)算推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感L的中間值,或平均值,對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。