開(kāi)關(guān)電源原理與設計（連載38）單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓

圖1-41和圖1-42是單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源剛開(kāi)始工作時(shí)輸出電壓和儲能電容充電時(shí)電容器兩端的電壓波形。這里我們分成兩種極端情況來(lái)進(jìn)行分析，圖1-41表示單電容半橋式開(kāi)關(guān)電源變壓器勵磁電流為最大值時(shí)的極端情形；而圖1-42表示單電容半橋式開(kāi)關(guān)電源變壓器勵磁電流為最小值時(shí)的極端情形。因此，在實(shí)際工作中的單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源，在剛開(kāi)始工作的時(shí)候，其輸出電壓和儲能電容充電時(shí)電容器量端的電壓波形一定會(huì )介于圖1-41和圖1-42所包含的兩種結果之間。

由于單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)，加到變壓器初級線(xiàn)圈兩端的電壓只有輸入電源電壓的二分之一，因此，在進(jìn)行變壓器參數設計的時(shí)候不可能把變壓器的伏秒容量取得很大；當加到變壓器初級線(xiàn)圈兩端的電壓高于正常工作電壓的兩倍時(shí)，在變壓器初級線(xiàn)圈中將會(huì )出現很大的勵磁電流，甚至會(huì )使變壓器鐵心中的磁感應強度接近飽和；在這種情況下，開(kāi)關(guān)電源的反激輸出電壓就不能不考慮；當變壓器次級線(xiàn)圈輸出電流基本為0或很小時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓主要就是反激輸出電壓與正激輸出電壓的和，并且兩者的半波平均值基本相等。圖1-41就是表示這種情形。

圖1-41-a）表示圖1-39單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源剛開(kāi)始工作時(shí)，在變壓器初級線(xiàn)圈勵磁電流最大的情況下，輸出電壓（取半波平均值）和儲能電容充電時(shí)電容器兩端的波形；圖1-41-b）表示圖1-39單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源，在變壓器初級線(xiàn)圈勵磁電流最大的情況下，剛開(kāi)始工作時(shí)儲能電容充電時(shí)電容器兩端的波形。

圖1-41-a）中，正半周電壓波形表示儲能電容充電時(shí)開(kāi)關(guān)電源輸出的正激輸出電壓，負半周電壓波形表示儲能電容放電時(shí)開(kāi)關(guān)電源輸出的反激輸出電壓和正激輸出電壓；但正激輸出電壓相對于反激輸出電壓來(lái)說(shuō)，幅度很小，這是變壓器勵磁電流很大的緣故。圖1-41-a）中反激輸出電壓波形圖是根據（1-75）、（1-158）、（1-169）等式分析畫(huà)出來(lái)的。而圖1-41-b）中儲能電容器兩端的波形的波形圖是根據（1-164）到（1-169）等式分析畫(huà)出來(lái)的。

從圖1-41-a）可以看出，單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源剛開(kāi)始工作的時(shí)候，正、反激輸出電壓的幅度很高，這是因為儲能電容器剛開(kāi)始充電，儲能電容器兩端的電壓還很低，輸入電源電壓幾乎全部被加到變壓器初級線(xiàn)圈的兩端；并且此時(shí)變壓器初級線(xiàn)圈中的勵磁電流很大，存儲的磁能量也很大。當儲能電容器將要充滿(mǎn)電的時(shí)候，加到變壓器初級線(xiàn)圈兩端的電壓也將降低，最后基本穩定在一個(gè)數值上，就是輸入電源電壓的二分之一。

圖1-42也是單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源剛開(kāi)始工作時(shí)輸出電壓和儲能電容充電時(shí)電容器兩端的電壓波形，不過(guò)，圖1-42表示的是單電容半橋式開(kāi)關(guān)電源變壓器勵磁電流為最小值時(shí)的極端情形。在這種情形下，相當于開(kāi)關(guān)電源變壓器的伏秒容量必須取得足夠大，其勵磁電流才會(huì )足夠地小。

圖1-42-a）表示圖1-39單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源剛開(kāi)始工作時(shí)，在變壓器初級線(xiàn)圈勵磁電流最小的情況下，輸出電壓（取半波平均值）和儲能電容充電時(shí)電容器兩端的波形；圖1-42-b）表示圖1-39單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源，在變壓器初級線(xiàn)圈勵磁電流最小的情況下，剛開(kāi)始工作時(shí)儲能電容充電時(shí)電容器兩端的波形。

圖1-42-a）中，正半周電壓波形表示儲能電容充電時(shí)開(kāi)關(guān)電源輸出的正激輸出電壓，負半周電壓波形表示儲能電容放電時(shí)開(kāi)關(guān)電源輸出的反激輸出電壓和正激輸出電壓；但反激輸出電壓相對于正激輸出電壓來(lái)說(shuō)，幅度很小，這是變壓器勵磁電流很小的緣故。圖1-42-a）中反激輸出電壓波形圖是根據（1-75）、（1-158）、（1-169）等式分析畫(huà)出來(lái)的。而圖1-42-b）中儲能電容器兩端的波形的波形圖是根據（1-164）到（1-169）等式分析畫(huà)出來(lái)的。

從圖1-42-a）可以看出，單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源剛開(kāi)始工作的時(shí)候，輸出電壓的波形上下半周是不對稱(chēng)的，上半周輸出電壓幅度很高，是因為儲能電容器剛開(kāi)始充電，儲能電容器兩端的電壓還很低，輸入電源電壓幾乎全部被加到變壓器初級線(xiàn)圈的兩端；負半周輸出電壓幅度很低，是因為儲能電容器還沒(méi)有充滿(mǎn)電，儲能電容器放電的電壓很低。當儲能電容器將要充滿(mǎn)電的時(shí)候，加到變壓器初級線(xiàn)圈兩端的電壓也將降低，最后基本穩定在一個(gè)數值上，就是輸入電源電壓的二分之一。

從原理上說(shuō)，要經(jīng)過(guò)無(wú)限長(cháng)的時(shí)間才能把圖1-39中的儲能電容充滿(mǎn)電，但在實(shí)際應用中，一般都認為儲能電容器充電的電壓達到其充滿(mǎn)電時(shí)的90%，即可認為電容器已基本被充滿(mǎn)電。

在電容器的充電過(guò)程中，當電容器充電的電壓達到最大電壓的90%時(shí)，其連續充電時(shí)間為2.3τ，這里τ為電容器充電的時(shí)間常數。但考慮到在圖1-39的電路中，電容器時(shí)一邊充電，一邊又放電，因此電容被充滿(mǎn)電的時(shí)間會(huì )很長(cháng)，大約需要5τ時(shí)間左右。
這里我們再次指出，在單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源之中，電容充、放電都是按指數曲線(xiàn)或正、余弦曲線(xiàn)進(jìn)行，因此，輸出電壓波形不應該是一個(gè)矩形波，而是一個(gè)波形的頂部按指數曲線(xiàn)變化的脈沖，但為了方便分析，我們這里還是采用半波平均值的方法來(lái)進(jìn)行分析。

另外，單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源同樣也存在反激式輸出，但單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源在正常工作狀態(tài)下，主要還是屬于正激式輸出電源，反激式輸出的能量相對比較小，因為，單電容半橋式開(kāi)關(guān)電源變壓器初級線(xiàn)圈的勵磁電流一般都取得很小。當反激式輸出電壓迭加在正激式輸出電壓上面時(shí)，輸出電壓波形的前、后沿會(huì )出現脈沖尖峰，這一點(diǎn)特別值得注意。

對于整流輸出式的單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源，由于輸出端的儲能濾波電容時(shí)間常數很大，反激式輸出的脈沖尖峰很容易被儲能濾波電容吸收掉，整流之前輸出的電壓波形基本上就是圖1-41-a）或圖1-42-a）中正激輸出電壓的半波平均值波形。
順便說(shuō)明，上面所謂的變壓器初級線(xiàn)圈勵磁電流最大或最小情況，這里是指變壓器初級線(xiàn)圈的伏秒容量比較小或非常大的情況，并不是指變壓器鐵心的磁感應強度一定要達到飽和。