圖1是單激式開關(guān)電源的基本原理圖。圖中,T為開關(guān)變壓器,N1和N2分別為開關(guān)變壓器初、次級線圈;為開關(guān)變壓器的漏感,為開關(guān)變壓器初級線圈的勵磁電感;為開關(guān)變壓器初級線圈的分布電容,為開關(guān)變壓器次級線圈的輸出負(fù)載,Q1為電源開關(guān)管。
圖1 開關(guān)電源的基本電路
變壓器初級線圈或次級線圈的分布電容Cs可按下式進(jìn)行計(jì)算:
式中,為第層與+1層線圈之間的靜態(tài)電容,= 1、2、3、• • •、n ,n為所求總分布電容的變壓器初級線圈或次級線圈的層數(shù);為第層與+1層線圈之間的平均周長;為第層與+1層線圈之間分布電容的動態(tài)系數(shù),,它與加到電容兩端的電壓有關(guān),是一個小于1的系數(shù);
為第層與+1層線圈之間的標(biāo)準(zhǔn)電位差,其值一般等于相鄰兩層線圈工作電壓之和,即:,U為變壓器初級線圈或次級線圈兩端的工作電壓;、分別為第層與+1層線圈之間x=0和x=h處對應(yīng)的電位差;當(dāng)線圈層間按S繞法時(shí),= 0,=;當(dāng)線圈層間按Z繞法時(shí),。
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如果不考慮變壓器次級線圈對初級線圈的影響,對于一個功率大約為100瓦的開關(guān)變壓器,其初級線圈的分布電容大約在100~2000微微法之間;如果把次級線圈的分別電容也考慮進(jìn)去,總的分布電容可能要大一倍左右,因?yàn)槌?、次級線圈分布電容的轉(zhuǎn)換比是平方的關(guān)系。因此,分布電容對輸出波形的影響是很大的。
根據(jù)變壓器的工作原理,圖1中的開關(guān)變壓器還可以等效為圖2所示電路。
圖2 開關(guān)變壓器的等效電路
在圖2中,Ls為漏感,漏感也稱漏磁電感,或稱分布電感;Cs為分布電容(總分布電容), lu為勵磁電感,R為等效負(fù)載電阻。設(shè)開關(guān)變壓器初級線圈的電感為L,則g2 ;而分布電容Cs,則包括次級線圈等效到初級線圈一側(cè)的分布電容,即,次級線圈的分布電容也要等效到初級線圈回路中;同理,等效負(fù)載電阻R,就是次級線圈的負(fù)載RL被等效到初級線圈回路中的電阻。
設(shè)次級線圈的分布電容為C2,等效到初級線圈后的分布電容為C1,則有下面關(guān)系式:
上式中,為次級線圈分布電容存儲的能量,為等效到初級線圈后的分布電容存儲的能量;、分別為初、次級線圈的電壓,為變壓比, 、分別為初、次級線圈的匝數(shù)。由此可以求得為:
(2)和(3)式的計(jì)算方法不但可以用于對初、次級線圈分布電容等效電路的換算,同樣可以用于對初、次級線圈電路中其它電容等效電路的換算,以及用于對負(fù)載電阻的換算。所以,亦可以是次級線圈電路中的任意電容,為等效到初級線圈電路中的電容。
由此可以求得圖2中,變壓器的總分布電容Cs為:
(4)式中,Cs為變壓器的總分布電容,Cs1為變壓器初級線圈的分布電容;而C1為次級線圈電路中所有電容等效到初級線圈電路中的電容;C2為次級線圈電路中所有電容(包括分布電容與電路中的電容);n = N2/N1為變壓比。
雖然看起來,圖2開關(guān)變壓器的等效電路與一般變壓器的等效電路沒有根本的區(qū)別,但開關(guān)變壓器的等效電路一般是不能用穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行分析的;即:圖2中的等效負(fù)載電阻R不是一個固定參數(shù),它會隨著開關(guān)電源的工作狀態(tài)不斷改變。例如,在反激式開關(guān)電源中,當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),開關(guān)變壓器是沒有功率輸出的,即負(fù)載電阻R等于無限大;而對于正激式開關(guān)電源,當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),開關(guān)變壓器是有功率輸出的,即負(fù)載電阻R既不等于無限大,也不等于0 。因此,分布電感與分布電容對正激式開關(guān)電源和反激式開關(guān)電源工作的影響是不一樣的。
圖3是開關(guān)變壓器與電源開關(guān)管連接時(shí)的工作原理圖。圖3中,Q1為開關(guān)管,Cds為開關(guān)管漏極和源極之間的分布電容,Cgs為開關(guān)管柵極和源極之間的分布電容。值得說明的是,這里的Cgs和Cds都不是一個單純性質(zhì)的電容,它只是在開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷的一瞬間,其阻抗的變化過程與電容(或電感)的充放電過程很類似;而它的基本性質(zhì)實(shí)際上還是屬于電阻,因?yàn)樗鼤p耗功率。
圖3 單激式開關(guān)電源等效電路
當(dāng)開關(guān)管開始導(dǎo)通時(shí),外電路給柵極(絕緣柵場效應(yīng)管)加一正電壓,通過靜電感應(yīng),開關(guān)管耗盡層中的載流子(電子)在電場的作用下會重新進(jìn)行分布,耗盡層中載流子濃度按指數(shù)規(guī)律不斷增加,這個過程相當(dāng)于對電容Cgs進(jìn)行充電;隨著耗盡層中載流子的重新分布,耗盡層的厚度也相應(yīng)增加,其結(jié)果是耗盡層的電阻由大變小。
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因此,當(dāng)開關(guān)管剛開始導(dǎo)通時(shí),流過開關(guān)管的電流是由小變大,這個過程,與在電感兩端加一電壓方波時(shí),流過電感的電流由小變大很相似;所以,在開關(guān)管剛導(dǎo)通的一瞬間,開關(guān)管的漏極和源極之間可以等效成一個電感Lds。由于這個電感相對分布電感Ls和勵磁電感Lv來說很小,所以圖3中沒有畫出。
圖4 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)
圖4是圖3中的開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)對應(yīng)的等效工作原理圖。在圖4中,電感Lds為開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)的等效電感,當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí),開關(guān)管的內(nèi)部電阻將隨時(shí)間由大逐步變小,它的作用好像一個電感,因此,當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí),開關(guān)管可以等效成一個理想的開關(guān)與一個電感串聯(lián)。但這個電感屬于電阻性質(zhì),它會損耗能量,它不像實(shí)際中的電感那樣可以儲存能量(磁能),它實(shí)際上屬于一個阻值由大變小的可變電阻,但如果用一個可變電阻來表示,在計(jì)算過程中將會很復(fù)雜,并且在開關(guān)管Q1導(dǎo)通的變化過程中,用一個可變電阻來表示也沒有用一個電感來表示顯得形象。
當(dāng)開關(guān)管開始關(guān)斷時(shí),外電路給柵極加一負(fù)電壓(或低電壓),通過靜電感應(yīng),開關(guān)管內(nèi)耗盡層中的載流子(電子)在電場的作用下會重新進(jìn)行分布,相當(dāng)于外電路要向耗盡層抽離載流子,耗盡層中載流子的濃度將按指數(shù)規(guī)律減小,耗盡層的厚度也將隨時(shí)間增大而變小,其結(jié)果是耗盡層的電阻將隨時(shí)間由小變大。這個過程,與電容被充電時(shí),流過電容的電流由大變小很相似;所以,當(dāng)開關(guān)管剛導(dǎo)通的一瞬間,開關(guān)管可以等效成一個理想的開關(guān)與一個電容器并聯(lián),這個電容器就是漏極和源極之間的分布電容Cds。如圖5是開關(guān)管關(guān)斷時(shí),反激式開關(guān)電源的工作原理圖。
圖5 開關(guān)管關(guān)斷時(shí)
根據(jù)上面分析,柵極電容Cgs對開關(guān)管的導(dǎo)通影響比較大,容量越大,開關(guān)管的導(dǎo)通上升時(shí)間就越長。而漏極電容Cds對開關(guān)管的關(guān)斷影響比較大,容量越大,開關(guān)管關(guān)斷存儲時(shí)間就越長。電容Cgs和Cds也稱擴(kuò)散電容,它們既具有電阻的性質(zhì),同時(shí)也具有電容充放電的特性,這種特性主要與耗盡層中載流子的濃度變化有關(guān)。
當(dāng)電源開關(guān)管為晶體管時(shí),Cgs和Cds分別與Cbe和Cce對應(yīng),工作原理場效應(yīng)管的工作原理基本相同或相似。不過基區(qū)參與導(dǎo)電的載流子的密度的增加或減少,不是靠靜電感應(yīng)的作用,而是靠基極電流的注入。
由于開關(guān)管在導(dǎo)通或關(guān)斷期間,其分布參數(shù)的性質(zhì)和作用也在改變,因此,在圖1~5中,要對分布電感Ls和分布電容Cs,以及Cgs和Cds組成的電流回路進(jìn)行精確計(jì)算,難度是很大的。下面,我們將以很長的篇幅來對上面電路進(jìn)行分析和計(jì)算。
在圖4中,分布電感Ls和分布電容Cs可以看成是一個串聯(lián)振蕩回路,當(dāng)開關(guān)管Q1開始導(dǎo)通的時(shí)候,輸入脈沖電壓的上升率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入電壓通過分布電感Ls對分布電容Cs充電電壓的上升率,此時(shí),串聯(lián)振蕩回路開始吸收能量,輸入電壓通過Lds和Ls對Cs進(jìn)行充電,流過Ls和Cs的電流按正弦曲線增長;當(dāng)開關(guān)管Q1完全導(dǎo)通以后,Lds的值等于0,此時(shí),輸入脈沖進(jìn)入平頂階段,相當(dāng)于輸入脈沖電壓的上升率為0,由于,輸入脈沖電壓的上升率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分布電感Ls與分布電容Cs進(jìn)行充、放電時(shí)電壓的上升率,因此,振蕩回路開始釋放能量,振蕩回路會產(chǎn)生阻尼振蕩。
由于分布電感Ls和分布電容Cs的時(shí)間常數(shù)相對于勵磁電感比較小,所以分布電感Ls和分布電容Cs產(chǎn)生阻尼振蕩的過程主要發(fā)生在開關(guān)管Q1導(dǎo)通和關(guān)斷的一瞬間。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通或關(guān)斷后不久,阻尼振蕩很快就會停止。當(dāng)輸入電壓對分布電容Cs充滿電后,輸入電壓就完全加到勵磁電感的兩端。如果是反激式開關(guān)電源,流過勵磁電感的電流將隨時(shí)間從0開始線性增加;如果是正激式開關(guān)電源,流過勵磁電感的電流將隨時(shí)間按梯形波曲線增長。
在開關(guān)管Q1導(dǎo)通期間,由于開關(guān)管的導(dǎo)通內(nèi)阻非常小,分布電容Cds基本上是不起作用的。當(dāng)開關(guān)管Q1由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為關(guān)斷時(shí),開關(guān)管漏極和源極之間的分布電容Cds將被接入電路中,分布電感Ls和勵磁電感將同時(shí)產(chǎn)生反電動勢,并分別對分布電容Cds和Cs進(jìn)行充、放電,電容與電感在交替進(jìn)行能量交換的過程中,將產(chǎn)生串、并聯(lián)振蕩。
但由于勵磁電感的時(shí)間常數(shù)比Ls、Cs和Cds的時(shí)間常數(shù)大好多,因此,在產(chǎn)生振蕩的過程中,主要由Ls、Cs和Cds三者產(chǎn)生作用。另外,在開關(guān)管開始關(guān)斷期間,由于Cds實(shí)際上是一個阻抗由小到大,其阻抗變化過程類似于電容充電的可變電阻,它只吸收能量,而不會釋放能量。因此,它在產(chǎn)生振蕩的過程中,只對充電曲線的上升速率起影響,而對放電曲線的下降速率不起影響。
在下一講,陶老師將利用波形來具體分析開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí),漏感及分布電容的工作過程,敬請期待......