開(kāi)關(guān)電源原理與設計（連載二十一）開(kāi)關(guān)電源電路的過(guò)渡過(guò)程

圖1-24是把儲能濾波電容器進(jìn)行充電的時(shí)間全部拼湊在一起時(shí)，儲能濾波電容器按正弦曲線(xiàn)進(jìn)行充電的電壓波形。我們可以把圖1-24看成儲能濾波電容器剛好用了6個(gè)工作周期就把電壓充到最大值，其中，T1、T2、…T6分別代表Toff1、Toff2、…Toff6。Toff1代表工作開(kāi)關(guān)第一次關(guān)斷時(shí)間，其它依次類(lèi)推。儲能濾波電容器充滿(mǎn)電后，由于整流二極管的作用，它不可能向變壓器的次級線(xiàn)圈放電，因此，T6以后的正弦曲線(xiàn)不可能再繼續發(fā)生。

這里必須指出，圖1-24所示的電壓波形在現實(shí)中是不存在的，因為，圖1-24中的電壓波形在時(shí)間軸上是不連續的，這里只是為了便于分析，把工作開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間Ton全部進(jìn)行壓縮了。

在實(shí)際應用中，儲能濾波電容器不可能剛好用6個(gè)工作周期就可以把電壓被充電到最大值，一般都要經(jīng)過(guò)好十幾個(gè)周期后，儲能濾波電容器兩端的電壓才能被充電到最大值。例如：設變壓器次級線(xiàn)圈的電感量為10微亨，儲能濾波電容的容量為1000微法，由此可求得：ω = 10000，或F = 1592Hz，T = 628微秒，四分之一周期為157微秒;設開(kāi)關(guān)電源的工作頻率為40kHz，D = 0.5，由此可求得，T = 25微秒，半個(gè)周期為12.5微秒;最后我們可以求得，需要經(jīng)過(guò)12.56個(gè)工作周期，即314微秒后，儲能濾波電容才能充滿(mǎn)電。

上面的結果，還沒(méi)有考慮負載電流對儲能濾波電容充電的影響。由于負載電流會(huì )對儲能濾波電容充電產(chǎn)生分流，使電容充電速度變慢;另外，反激式開(kāi)關(guān)電源的占空比一般都小于0.5，會(huì )使變壓器次級線(xiàn)圈輸出電流產(chǎn)生斷流，如果把這些因素全部都考慮進(jìn)去，儲能濾波電容充滿(mǎn)電所需要的時(shí)間要比上面計算結果大好幾倍。

另外，反激式開(kāi)關(guān)電源的占空比是根據輸出電壓的高低不斷地改變的。在進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源電路設計的時(shí)候，一定要注意，開(kāi)關(guān)電源在輸入電源剛接通時(shí)候，由于開(kāi)關(guān)電源剛開(kāi)始工作的時(shí)候，儲能濾波電容器剛開(kāi)始充電，電路會(huì )產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程;在輸入電源剛接通的瞬間，儲能濾波電容器兩端的電壓很低，輸出電壓也很低，通過(guò)取樣控制電路的作用，可能會(huì )使工作開(kāi)關(guān)的占空比很大，從而會(huì )使變壓器鐵心飽和，電源開(kāi)關(guān)管過(guò)流或過(guò)壓而損壞。

為了分析簡(jiǎn)單，在圖1-23和圖1-24中，都沒(méi)有把負載電流的作用考慮進(jìn)去，如果考慮負載電流的作用，電容器進(jìn)行充電時(shí)電壓上升率會(huì )降低，同時(shí)在開(kāi)關(guān)接通期間，因電容器要向負載放電，電容器兩端的電壓也會(huì )下降。儲能濾波電容進(jìn)行充電時(shí)，電容兩端的電壓是按正弦曲線(xiàn)的速率變化，而儲能濾波電容進(jìn)行放電時(shí)，電容兩端的電壓是按指數曲線(xiàn)的速率變化。

為了證明電容兩端的電壓是按指數曲線(xiàn)的速率變化，我們對圖1-19中的電容充放電過(guò)程進(jìn)一步進(jìn)行分析。當開(kāi)關(guān)接通時(shí)，由于變壓器次級線(xiàn)圈輸出電壓極性相反使整流二極管反偏截止，儲能濾波電容開(kāi)始對負載放電，電容放電電流由下式?jīng)Q定：

其中a為任意常數，當t = 0時(shí)，電容兩端的電壓為Uc，為此求得：

(1-115)式就是計算電容器放電時(shí)的公式，其中 μc為電容器兩端的電壓， Uc為電容剛放電時(shí)的初始電壓，RC為時(shí)間常數，時(shí)間常數一般都用τ來(lái)表示，即τ = RC。

圖1-25是電容器放電時(shí)的電壓變化曲線(xiàn)圖。電容放電時(shí)，電壓由最大值開(kāi)始下降，當放電時(shí)間為τ時(shí)，電容器兩端的電壓僅剩37%，當放電時(shí)間為2.3τ時(shí)，電容器兩端的電壓僅剩10%，當放電時(shí)間為無(wú)窮大時(shí)，電容器兩端的電壓為0。但在實(shí)際應用中，開(kāi)關(guān)電源的工作頻率一般都很高，即電容器的放、電時(shí)間非常短，因此，電容器每次放電下降的電壓相對來(lái)說(shuō)非常小，電壓紋波相對于輸出電壓只有百分之幾，因為儲能濾波電容的容量一般都很大。

這里順便指出，開(kāi)關(guān)電源儲能濾波電容的充、放電時(shí)間常數一般都很大，是開(kāi)關(guān)電源工作頻率周期的幾十倍，乃至幾百倍，因此，儲能濾波電容或是按正弦曲線(xiàn)規律充電，或是按指數規律放電，我們都可以把它當成是按線(xiàn)性(直線(xiàn))規律充、放電。因為，正弦曲線(xiàn)或指數曲線(xiàn)在初始階段的曲率變化非常小。所以，前面在對開(kāi)關(guān)電源的電路參數進(jìn)行分析時(shí)，基本上都是采用平均值的概念進(jìn)行分析，并且把波形基本上也都畫(huà)成方波(矩形)或鋸齒形。

采用平均值的方法來(lái)對很復雜的問(wèn)題進(jìn)行分析，往往可以使復雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，這對于工程設計或計算來(lái)說(shuō)是非常簡(jiǎn)便的，并且分析或計算結果對于工程應用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠準確，因此，我們后面主要都是采用這種簡(jiǎn)便方法。