單端正激式激勵(lì)變壓器的分析

DesignofSingle－endedPositiveExciterTransformer

1引言

　　在開關(guān)電源中，激勵(lì)電路十分重要，特別是采用MOSFET為主開關(guān)管時(shí)更為重要，激勵(lì)電路有時(shí)采用單端正激式電路來(lái)激勵(lì)主開關(guān)管，如圖1所示，電路中應(yīng)用了激勵(lì)變壓器，實(shí)現(xiàn)電壓脈沖變換和隔離。該激勵(lì)變壓器設(shè)計(jì)與一般脈沖變壓器類同，但是，由于開關(guān)電源的頻率較高，脈沖間隙時(shí)間很短，占空比通常會(huì)達(dá)到50％，而且，要求在下一個(gè)脈沖到來(lái)之前變壓器磁狀態(tài)必須復(fù)位，為了實(shí)現(xiàn)在脈沖間隔時(shí)間內(nèi)達(dá)到磁復(fù)位，變壓器的純磁化電感不能大，并采用了回授繞組NP2和箝位二極管D1，有效地限制了反沖幅值，保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管V1不致被反沖電壓擊穿，在保證V1不被損壞的前提下才有可能改變磁化電感和R1值來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓器的磁復(fù)位。

2反沖特性和磁復(fù)位的分析

??? 反沖特性和磁復(fù)位是變壓器磁心中貯存的磁場(chǎng)能量和等效電容中貯存的電場(chǎng)能量泄放的瞬變過(guò)程。

???? 在脈沖開始下降瞬間，脈沖源與負(fù)載相繼斷開，此時(shí)貯存在勵(lì)磁電感和電容中的能量開始泄放，電容C經(jīng)R1′L△放電，當(dāng)電容器上貯存的電能全部放完時(shí)，則電壓脈沖降到零，放完電所需的時(shí)間就是所謂的后沿時(shí)間。電路中由于電感的存在，電流并不因此停止，電容被反充電，形成所謂的反沖電壓；電路分析表明，這種瞬變過(guò)程的特性完全取決于并聯(lián)回路的參量，一般會(huì)出現(xiàn)三種狀態(tài)：即欠阻尼振蕩，臨界阻尼振蕩和過(guò)阻尼振蕩。

三種振蕩形式的歸一化方程為：

臨界阻尼振蕩k1=1U1′(t)/U0=[1－(1＋2△)2πX1]

過(guò)阻尼振蕩k1>1 式中：k1=/2R1′為阻尼因子

△=R1′τp/L△為反沖因子

X1=tb/T1為相對(duì)時(shí)間常數(shù)

tb為磁復(fù)位時(shí)間 T1=在U1′（t）電壓方程的基礎(chǔ)上，可以導(dǎo)出變壓器磁恢復(fù)時(shí)間的表達(dá)式，但電路設(shè)計(jì)均在過(guò)阻尼狀態(tài)，則可得到如下表達(dá)式：tb=L△/R1′ln[10(△＋R1′2C/L△)]

3變壓器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）在圖1電路中，脈沖源和負(fù)載均為場(chǎng)效應(yīng)管，其輸入電容較大，通常采用減小L△來(lái)加速磁復(fù)位，但減小電感容易引起欠阻尼振蕩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致V2場(chǎng)效應(yīng)管二次導(dǎo)通或截止不充分，因此必須控制初級(jí)電感值，保證變壓器能達(dá)到磁復(fù)位和不出現(xiàn)欠阻尼振

蕩，在控制電感值還不能達(dá)到滿意結(jié)果時(shí)，可以調(diào)整次級(jí)并聯(lián)電阻R1；當(dāng)R1減小時(shí)，振蕩會(huì)消失，但恢復(fù)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，所以電路和變壓器兩者之間應(yīng)具有調(diào)整范圍，以保證在不出現(xiàn)振蕩的前提下變壓器磁狀態(tài)也得到復(fù)位，最佳狀態(tài)應(yīng)當(dāng)是臨界狀態(tài)，但電路很難設(shè)計(jì)在臨界狀態(tài)工作。

（2）在設(shè)計(jì)單端正激式激勵(lì)變壓器時(shí)鐵心選擇也十分重要，一般要求鐵心具有較高的磁通密度增量

△B值，較小的鐵心損耗和較低的脈沖磁導(dǎo)率μP值；能用于激勵(lì)變壓器的鐵心材料有鐵氧體，鐵基非晶，1J6721，1J34Kh等，頻率較高時(shí)可以選用鐵氧體罐形磁心，頻率較低時(shí)可以選用鐵基非晶，1J6721，1J34Kh等鐵心。

（3）回授繞組的設(shè)計(jì)主要是取決于V1的耐壓，但回授繞組的匝數(shù)應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

Upτpmax<（Np1/Np2）Up(T－τpmax)

　　回授繞組的電流與磁化電流基本相等，一般只有初級(jí)電流的50％，有的與初級(jí)電流相近，主要取決于工作的磁通密度△B值和初級(jí)電感值。

　　（4）在設(shè)計(jì)較高電壓的開關(guān)電源時(shí)，一般Ec2較高，為了提高低壓激勵(lì)電路的可靠性，激勵(lì)變壓器初次級(jí)加屏蔽，并接地，將有效地保證低壓激勵(lì)電路不致被損壞。

　　以上幾點(diǎn)是設(shè)計(jì)單端正激式激勵(lì)變壓器的要點(diǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮高頻集膚效應(yīng)對(duì)導(dǎo)線電阻的影響，以及防止變壓器瞬間飽和，減小漏感等問(wèn)題；這些問(wèn)題的計(jì)算和分析可參考一般脈沖變壓器設(shè)計(jì)。

4設(shè)計(jì)實(shí)例

（1）指標(biāo)要求:Ec1=15V，R1=51Ω,IL=1A，C=4500μF,Np1/Ns=2,f=46～100kHz,初次級(jí)隔離電位：脈沖560V、DC280V,占空比為34％。

（2）設(shè)計(jì)結(jié)果：磁心采用GU18×11,Np1=Np2=16匝,Ns=8匝,L△=0.45mH,tb=8.27μsNp1/Ns=Np2/Ns=2;在電路中工作正常。