單端反激式變換器變壓器工作狀態分析

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

圖1 　單極性勵磁

受單方向勵磁,磁感應強度從最大值Bm 到剩磁Br 之間變化,如圖1 所示。

單端反激式開關電源一般有兩種工作方式:

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

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

1 　能量的轉換過程

T 導通期間,進行電能的儲存,由等效電路可知D 處于截止,此時可以把變壓器看作一個電感,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,磁感應強度將從Br增加到工作峰值Bw 。

在圖3 中當T 關斷,初級電流必定為零,D 導通,感應電流將出現在副邊,通過負載續流,進行能量釋放。工作于完全能量轉換方式時,toff總是大于ton ,因此在反激期間,磁感應強度將從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,由于出現了直流分量,為避免磁心飽和需加氣隙,見圖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 的取值設計的小一些,以減少磁滯損耗,利于提高工作頻率,進一步減小原副邊中的紋電流。

2 　磁心參數與氣隙的作用

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,但有無氣隙并不影響飽和磁感應強度的大小。在有氣隙時,磁強強度H 明顯增大,剩余磁感應強度Br 明顯減小,這些變化,對反激變換器來說都是非常有利的。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系如圖6 所示

2. 1 　在交流電流下氣隙的作用　　　

在開關T 導通期間所外加的電壓比例于B - H 平面,垂直于△Bac的振幅,對應于橫軸有△Hac的變化。在有氣隙時,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,這相當于有效地減小磁心的有效磁導率和減少原邊繞組的匝數,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 回環的水平軸上產生一直流磁力Hdc (Hdc與直流安匝數成正比) ,對于一個確定的副邊電流負載,Hdc的值是不確定的。在沒有飽和的條件下,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有氣隙的磁心達到飽和。因此,有大直流電流時,氣

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

3 　變壓器中的電感值

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

從圖中可以看出,電感越小,充電時常數越小,峰值電流越大。這不僅使開關管的開關應力增大,而且造成輸出電壓紋波增大,當電感過小時會造成負載電流不連續的間斷波形。開關管T 導通時,在變壓器初級電感中儲存的能量,在開關管截止結束(下一周期導通開始)時釋放完畢,此時變壓器初級繞組所具有的電感值稱為變壓器的臨界電感,其計算公式為:

當初級電感Lp 大于臨界電感Lmin時,變換器處于“不完全能量轉換”方式,此時峰值電流小,紋波小。但電感過大,會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,但并不是變壓器設計的重要參數。通常只在設計后期才考慮它的大小。

4 　結束語

當變換器輸入電壓在一個較大范圍內變化,或負載電流在較大范圍內變化時,變換器必然會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定工作。但要求同一個電路在兩種方式下都能穩定工作,在設計上是非常困難的。從實際應用情況來看,選擇“不完全能量傳遞”方式,對于電路的實現和性能的保證都是比較容易的。

該方式由于產生了直流分量,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強度和降低剩余磁感應強度,并不能使飽和磁感應強度降低。變壓器是開關變換器中必備的元器件。由于其涉及的參數太多,如電壓、電流、頻率、溫度、能量、電感值、變、漏電感、磁材料參數、銅損、鐵損等;各種參數不同額定值的組合,使磁性材料的規格極其繁多,廠家為用戶備好現貨是不可能的。所以變壓器不象電子元件可以有現成的成品選擇,大多數情況下需要自行設計或提供參數委托設計加工。而變壓器性能的好壞,不僅影響其本身的發熱和效率等,還會影響到開關電源的技術性能和可靠性。因此,正確掌握變壓器的工作狀態就具有重要的意義。