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第二講:漏感與分布電容對輸出波形的影響

發(fā)布時間:2012-12-13 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng) 責任編輯:hedyxing

【導讀】陶老師歲末力作,驚喜不斷。上一講為大家講解了單激式開關(guān)電源的工作原理與特點,這一講逐步深入,具體分析漏感與分布電容對輸出波形的影響,技術(shù)分享不斷升溫,還有五講,敬請關(guān)注......

圖6是圖4和圖5電路中,當開關(guān)管導通時(圖4),輸入電壓ui通過開關(guān)變壓器漏感Ls對分布電容Cs進行充電,使漏感Ls與分布電容Cs產(chǎn)生沖擊振蕩時,分布電容Cs兩端的電壓波形;和當開關(guān)管關(guān)斷時(圖5),輸入電壓ui與開關(guān)變壓器漏感Ls和分布電容Cs、Cds產(chǎn)生充、放電時,電源開關(guān)管D、S極兩端的波形。

在圖6中,圖6-a是電源開關(guān)管Q1導通時,輸入電壓ui加于開關(guān)變壓器初級線圈兩端的電壓波形;圖6-b是分布電容Cs兩端的電壓波形;圖6-c,是電源開關(guān)管Q1漏極D與源極S之間的電壓波形。
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在t0時刻,電源開關(guān)管Q1開始導通,輸入電壓ui加于開關(guān)變壓器兩端,輸入電壓ui首先通過分布電感Ls對分布電容Cs充電,此時,由于輸入電壓ui的上升率大于電流通過分布電感Ls對分布電容Cs進行充電的電壓上升率,所以,分布電感和分布電容都從輸入電壓吸收能量。輸入電壓ui在對分布電感Ls和分布電容Cs進行充電過程中,分布電容Cs兩端的電壓是按正弦曲線上升的;而放電時,其兩端的電壓則按余弦曲線下降。



圖6

到t1時刻,流過Ls的電流達到最大值,同時分布電容Cs兩端的電壓與輸入電壓ui相等(或與變壓器初級線圈的正激輸出半波平均值Upa相等),此時輸入電壓ui的上升率為0,輸入電壓ui的上升率小于分布電感Ls對分布電容Cs充電的電壓uc上升率,所以,分布電感Ls開始釋放能量繼續(xù)對分布電容Cs進行充電。此時,Ls在釋放能量,而輸入電壓ui和分布電容Cs都在吸收能量,分布電容Cs都兩端的電壓uc繼續(xù)按正弦曲線上升。

到t2時刻,流過Ls的電流等于0(儲存于Ls中的能量被釋放完畢),分布電感產(chǎn)生的反電動勢對分布電容Cs進行充電結(jié)束,此時Cs兩端的電壓也達到最大值,然后Cs開始按余弦曲線對Ls和輸入電壓ui進行放電,流過Ls的電流開始反向,Ls開始反向儲存磁能量。

到t3時刻,Cs兩端的電壓又與輸入電壓ui相等,電容停止放電,此時,Ls儲存的磁能量將轉(zhuǎn)化成反電動勢es給電容Cs進行反向充電,使Cs兩端的電壓低于輸入電壓ui。

到t4時刻,流過Ls的反向電流等于0,Cs兩端的電壓達到最低值,然后輸入電壓又開始通過Ls對Cs進行充電,至此,分布電感Ls與分布電容Cs第一個充放電周期結(jié)束。

到t4時刻之后,輸入電壓ui對分布電感Ls和分布電容Cs進行充電的過程,以及分布電感Ls和分布電容Cs互相進行充電的過程,與t0~t4時刻基本相同。但由于在此期間,輸入電壓的上升率等于0,輸入電壓不再向分布電感Ls和分布電容Cs提供能量,因此,分布電感Ls與分布電容Cs產(chǎn)生自由振蕩的幅度是隨著時間衰減的,其衰減速率與等效電阻大小有關(guān)。
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到t10時刻,分布電感Ls與分布電容Cs產(chǎn)生的阻尼自由振蕩的幅度被衰減到差不多等于0,此時,分布電容Cs兩端的電壓等于變壓器初級線圈的正激輸出半波平均值Upa。關(guān)于半波平均值Upa和Upa-的計算方法及定義,請參考第一章的(1-70)和(1-71)式及說明。

在圖6-b中,Upa為變壓器初級線圈正激輸出電壓的半波平均值,此值與輸入電壓相等;Upa-為變壓器初級線圈反激輸出電壓的半波平均值,此值與占空比相關(guān);當占空比等于0.5時,Upa-與輸入電壓在數(shù)值上相等,但符號相反。

到t11時刻,電源開關(guān)管Q1開始關(guān)斷,由于流過分布電感Ls和勵磁電感的電流通路突然被切斷,其必然會產(chǎn)生反電動勢和,此二反電動勢將與輸入電壓ui一起串聯(lián)對分布電容Cs和Cds進行充電。但由于Cs兩端的電壓與電壓基本相等,因此,對分布電容Cds進行充電的電壓正好是輸入電壓ui與反電動勢電壓和三者之和。

到t12時刻,電源開關(guān)管Q1已經(jīng)完全關(guān)斷,但二反電動勢和與輸入電壓ui還繼續(xù)對分布電容Cs和Cds進行充電,不過,此時Cds的容量已經(jīng)變得非常小,因為它表示開關(guān)管內(nèi)部的擴散電容,屬于電阻性質(zhì),當開關(guān)管完全關(guān)斷之后,阻值為無限大(理想情況)。

直到t13時刻,分布電感Ls儲存的磁能量基本被釋放完,二反電動勢和才停止對分布電容Cs和Cds繼續(xù)進行充電;此時,分布電容Cs和分布電容Cds的兩端電壓均達到了最大值,即,加到電源開關(guān)管Q1漏極上的電壓達到最大值;而后,分布電容Cs又對原充電回路進行放電,并產(chǎn)生自由振蕩,但由于電源開關(guān)管Q1關(guān)斷后阻抗為無限大,其放電回路只能通過等效電阻R和勵磁電感進行,所以振幅很快就衰減到0。圖3-c為電源開關(guān)管D、S兩端的波形。

在實際應用中,電源開關(guān)管Q1的關(guān)斷過程,實際上就是開關(guān)管的內(nèi)阻由小變大的過程,把它等效成一個正在充電的電容器,只是為了便于分析,其實質(zhì)還是一個可變電阻,并且開關(guān)管Q1完全關(guān)斷之后,其阻抗也不是無限大,它總是有一定的漏電流,因此,開關(guān)管的內(nèi)阻還是應該等效到回路電阻之中的,即:等效電阻R的阻值,時刻都是在變化的。

在圖6-c中,Uda為開關(guān)管Q1關(guān)斷期間,D、S兩極之間電壓的半波平均值,Uda等于輸入電壓ui(ui=U)與變壓器初級線圈產(chǎn)生反激輸出電壓的半波平均值Upa-之和;Udp為開關(guān)管關(guān)斷期間D、S兩極之間電壓的峰值。Udp和Uda的值均與占空比有關(guān),當占空比等于0.5時,Uda約等于輸入電壓ui(ui=U)的2倍,而Udp則大于輸入電壓的2倍,并且Udp的值還與漏感Ls的值大小有關(guān),Ls的值越大,Udp的值也越大。

開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓的半波平均值Upa和Upa-由下面兩式求得:

(5)式中的uo為正激輸出電壓,其值為:

(7)式中,D為占空比,uo為反激輸出電壓,其值為:

(8)式中,L1、L2分別為開關(guān)變壓器初、次級線圈的電感,n為開關(guān)變壓器線圈的匝數(shù)比,n=N2/N1,Ui為變壓器初級線圈的輸入電壓,Ton為開關(guān)管的導通時間,R為等效負載電阻。

值得說明的是,上面(5)~(8)式并沒有把分布電感Ls對輸出電壓的影響考慮在其中。

由于分布電容Cds表示開關(guān)管內(nèi)部的擴散電容,它的容量在Q1的關(guān)斷過程中一直在改變(由大變?。虼?,分布電感Ls和勵磁電感產(chǎn)生的反電動勢和對分布電容Cds進行充電時,其電壓上升率并不是完全按正弦曲線規(guī)律變化。另外,由于勵磁電感在數(shù)值上遠比分布電感Ls大,因此,和Cs產(chǎn)生自由振蕩的頻率比Ls和Cs產(chǎn)生自由振蕩的頻率低很多。

這里順便指出,圖6-b的波形是很難測量到的,因為分布電感Ls與分布電容Cs產(chǎn)生自由振蕩的過程,基本上都在變壓器內(nèi)部的分布電感與分布電容之間進行,用儀器很難直接進行測量;但通過測量變壓器次級線圈的波形,也可以間接測量圖6-b中波形的振幅;而圖6-c的波形可以直接進行測量,兩者的振幅均與分布電感Ls的數(shù)值大小有關(guān),還與等效電阻R的阻值有關(guān)。分布電感Ls的數(shù)值越大,振幅也越大,等效電阻R的阻值越大,振幅也越大。

當自由振蕩很強時,自由振蕩會通過電磁輻射的形式給周邊的電路或電子設備造成EMI干擾。這一點在進行開關(guān)變壓器設計時務必要注意,應該盡量減小分布電感Ls的數(shù)值。

下一講我們進一步通過數(shù)學的計算方法來對電路的參數(shù)進行詳細分析。
 

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