開關電源原理與設計（連載三十五）交流輸出半橋式變壓器開關電源

上面的(1-162)和(1-163)式并沒有完全考慮，開關變壓器初級線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動勢對電容器C1和C2進行反充電所產(chǎn)生的影響。當開關變壓器初級線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動勢對電容器C1和C2進行反充電時，相當于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被電容器C1、C2存儲的電壓進行限幅。因此，變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo中的反激式輸出電壓[uo]，并不會像(1-162)和(1-163)算式所表達的結(jié)果那么高。

顯然變壓器次級線圈回路產(chǎn)生反電動勢的高低還與控制開關K1和K2交替接入的時間差有關，與K1和K2的接入電阻的大小還有關。一般電子開關，如晶體管或場效應管，剛開始導通的時候也不能簡單地看成是一個開關，它從截止到導通，或從導通到截止，都需要一個過渡過程，因此，它也會存在一定的開關損耗。

另外，根據(jù)(1-75)式：

Upa×Ton = Upa-×Toff —— 一個周期內(nèi) (1-75)

還可以知到，當控制開關K1和K2的占空比均等于0.5時，變壓器正激輸出電壓的半波平均值Upa與反激輸出的半波平均值Upa-基本相等。因此，只有在控制開關K2接通與控制開關K1斷開兩者之間存在時間差時，變壓器次級線圈回路才會產(chǎn)生非常高的反電動勢;但當控制開關K1和K2的占空比均小于0.5時，雖然反電動勢的幅度比較高，但由于正激式開關電源的勵磁電流一般都非常小(小于10%)，其產(chǎn)生反電動勢的能量也很小。即：反電動勢脈沖的寬度很窄。

根據(jù)上面分析和(1-75)式可知，反電動勢(反激輸出電壓)的半波平均值還是遠遠小于正激電壓的半波平均值。

所以，(1-162)和(1-163)式所表示的結(jié)果，可看成是半橋式變壓器開關電源在輸出電壓中含有毛刺(輸出噪音)的表達式。

根據(jù)上面分析，在一般情況下，半橋式變壓器開關電源的輸出電壓uo，主要還是由(1-158)、(1-159)、(1-161)等式來決定。即：半橋式變壓器開關電源的輸出電壓uo，主要由開關電源變壓器次級線圈N2繞組輸出的正激電壓來決定。

圖1-37是圖1-36半橋式變壓器開關電源，在負載為純電阻，且兩個控制開關K1和K2的占空比D均等于0.5時，變壓器初、次級線圈各繞組的電壓、電流波形。

圖1-37-a)和圖1-37-b)分別表示控制開關K1接通時，開關變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓uab的波形，和流過變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流ic1的波形;圖1-37-c)和圖1-37-d)分別表示控制開關K2接通時，開關變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓uba的波形，和流過開關變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流ic2的波形;圖1-37-e)和圖1-37-f)分別表示控制開關K1和K2輪流接通時，開關變壓器次級線圈N2繞組兩端輸出電壓uo的波形，和流過開關變壓器次級線圈N2繞組兩端的電流波形。

從圖1-37-b)和圖1-37-d)中我們可以看出，當控制開關K1或K2接通瞬間，流過變壓器初級線圈N1繞組的電流，其初始值并不等于0，而是產(chǎn)生一個電流突跳，這是因為變壓器次級線圈N2繞組中有電流流過的原因。

當變壓器次級線圈N2繞組有負載電流流過時，其產(chǎn)生的磁通方向正好與流過變壓器次級線圈N1繞組勵磁電流產(chǎn)生的磁通方向相反，因此，流過變壓器初級線圈N1繞組的電流也要在原來勵磁電流的基礎上再增加一個電流，來抵消流過變壓器次級線圈N2繞組電流的影響。增加電流的大小等于流過變壓器次級線圈N2繞組電流的n倍，n為變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比。

從圖1-37-f)中我們可以看出，流過開關變壓器次級線圈N2繞組兩端的電流波形是個矩形波，而不是三角波。這是因為半橋式變壓器開關電源同時存在正、反激電壓輸出的緣故。當變壓器同時存在正、反激電壓輸出時，反激式輸出的電流是由最大值開始，然后逐漸減小到最小值，如圖中虛線箭頭所示;而正激式輸出的電流則是由最小值開始，然后逐漸增加到最大值，如圖中實線箭頭所示;因此，兩者同時作用的結(jié)果，正好輸出一個矩形波。

從圖1-37-e)還可以看出，輸出電壓uo由兩個部分組成，一部分為電容器C1或C2存儲的電壓Uc1或Uc2通過變壓器初級線圈N1繞組感應到次級線圈N2繞組的正激式輸出電壓(uo)，這個電壓的幅度比較穩(wěn)定，一般不會隨著時間變化而變化;另一部分為勵磁電流通過變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量產(chǎn)生的反激式輸出電壓[uo]，這個電壓會使波形產(chǎn)生反沖，其幅度是時間的指數(shù)函數(shù)，它會隨著時間增大而變變小。

這里還需指出，圖1-37-e)中的波形有上沖，在純電阻負載中是正常的，盡管在控制開關K1或K2接通瞬間，開關變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量有一部分要被電容器C1或C2吸收，待反電動勢的能量基本被吸收完后，電容器C1或C2才開始對變壓器初級線圈N1繞組供電。相當于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被電容器C1、C2存儲的電壓進行限幅。

但由于控制開關K1、K2在剛接通瞬間有比較大的電阻，因此，變壓器次級線圈N2繞組瞬間反激輸出電壓高于正激輸出電壓是肯定的。另外，如果兩個儲能分壓電容的容量取得比較小，電源輸出電壓uo也會受電容的充放電過程影響，即：輸出電壓受Uc1或Uc2的變化調(diào)制，此時波形的上沖現(xiàn)象顯得更為嚴重。

不過在大多數(shù)情況下，最好還是采用半波平均值的概念來進行電路分析或計算，以免需要進行復雜的指數(shù)函數(shù)運算。

在實際應用中，為了防止變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢把開關器件擊穿，降低開關器件半導通狀態(tài)期間的損耗和半橋式變壓器開關電源輸出電壓波形的反沖幅度，一般可在圖1-36中兩個控制開關，每個控制開關的兩端都并聯(lián)一個阻尼二極管，如圖1-38所示。

在圖1-38中，D1、D2為阻尼二極管，它們分別與控制開關K1、K2并聯(lián)。當控制開關K1由接通轉(zhuǎn)換到關斷時，不管K2處于什么工作狀態(tài)，接通或關斷，只要N1線圈中產(chǎn)生的感應電動勢e1的幅度超過電容器C2兩端的電壓Uc2，二極管D2就會導通，相當于感應電動勢e1通過二極管D2被電容C2兩端的電壓Uc2進行限幅，同時也相當于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過電磁感應被Uc2進行限幅，而二極管D2對控制開關K2的工作幾乎不受影響。

同理，當控制開關K2由接通轉(zhuǎn)換到關斷時，不管K1處于什么工作狀態(tài)，只要N1線圈中產(chǎn)生的感應電動勢e1的幅度超過電容器C1兩端的電壓Uc1，二極管D1就會導通，感應電動勢e1就會通過二極管D1被電容器C1兩端的電壓Uc1進行限幅，這也相當于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過電磁感應被Uc2進行限幅，而二極管D2對控制開關K2的工作幾乎不受影響。

一般人們都把D1、D2稱為阻尼二極管，這是因為D1、D2沒有直接對輸出電壓uo進行限幅，而是通過變壓器初、次級之間的感應作用間接進行的。實際應用中，一般都在開關三極管的E-C或場效應管的S-D兩個電極內(nèi)部封裝有一個阻尼二極管，其作用就是用來對輸出電壓反沖進行阻尼用的。阻尼二極管D1、D2的另一個作用是防止變壓器初級線圈N1繞組中產(chǎn)生的感應電動勢e1對控制開關K1、K2反向擊穿。