跟電源專家陶顯芳學電源技術（二）：漏感與分布電容對輸出波形的影響（下）

　　當開關管開始關斷時，外電路給柵極加一負電壓（或低電壓），通過靜電感應，開關管內(nèi)耗盡層中的載流子（電子）在電場的作用下會重新進行分布，相當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間增大而變小，其結(jié)果是耗盡層的電阻將隨時間由小變大。這個過程，與電容被充電時，流過電容的電流由大變小很相似；所以，當開關管剛導通的一瞬間，開關管可以等效成一個理想的開關與一個電容器并聯(lián)，這個電容器就是漏極和源極之間的分布電容Cds。如圖5是開關管關斷時，反激式開關電源的工作原理圖。

　　根據(jù)上面分析，柵極電容Cgs對開關管的導通影響比較大，容量越大，開關管的導通上升時間就越長。而漏極電容Cds對開關管的關斷影響比較大，容量越大，開關管關斷存儲時間就越長。電容Cgs和Cds也稱擴散電容，它們既具有電阻的性質(zhì)，同時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。

　　當電源開關管為晶體管時，Cgs和Cds分別與Cbe和Cce對應，工作原理場效應管的工作原理基本相同或相似。不過基區(qū)參與導電的載流子的密度的增加或減少，不是靠靜電感應的作用，而是靠基極電流的注入。

　　由于開關管在導通或關斷期間，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組成的電流回路進行精確計算，難度是很大的。下面，我們將以很長的篇幅來對上面電路進行分析和計算。

　　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，當開關管Q1開始導通的時候，輸入脈沖電壓的上升率遠遠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，串聯(lián)振蕩回路開始吸收能量，輸入電壓通過Lds和Ls對Cs進行充電，流過Ls和Cs的電流按正弦曲線增長；當開關管Q1完全導通以后，Lds的值等于0，此時，輸入脈沖進入平頂階段，相當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遠小于分布電感Ls與分布電容Cs進行充、放電時電壓的上升率，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)生在開關管Q1導通和關斷的一瞬間。當開關管Q1導通或關斷后不久，阻尼振蕩很快就會停止。當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。如果是反激式開關電源，流過勵磁電感 的電流將隨時間從0開始線性增加；如果是正激式開關電源，流過勵磁電感 的電流將隨時間按梯形波曲線增長。

　　在開關管Q1導通期間，由于開關管的導通內(nèi)阻非常小，分布電容Cds基本上是不起作用的。當開關管Q1由導通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為關斷時，開關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 將同時產(chǎn)生反電動勢，并分別對分布電容Cds和Cs進行充、放電，電容與電感在交替進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 的時間常數(shù)比Ls、Cs和Cds的時間常數(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，在開關管開始關斷期間，由于Cds實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。

　　圖6是圖4和圖5電路中，當開關管導通時（圖4），輸入電壓ui通過開關變壓器漏感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；和當開關管關斷時（圖5），輸入電壓ui與開關變壓器漏感Ls和分布電容Cs、Cds產(chǎn)生充、放電時，電源開關管D、S極兩端的波形。

　　在圖6中，圖6-a是電源開關管Q1導通時，輸入電壓ui加于開關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，是電源開關管Q1漏極D與源極S之間的電壓波形。

　　在t0時刻，電源開關管Q1開始導通，輸入電壓ui加于開關變壓器兩端，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。

　　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。

　　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；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，電源開關管Q1開始關斷，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，電源開關管Q1已經(jīng)完全關斷，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，因為它表示開關管內(nèi)部的擴散電容，屬于電阻性質(zhì)，當開關管完全關斷之后，阻值為無限大。

　　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，但由于電源開關管Q1關斷后阻抗為無效大，其放電回路只能通過等效R和勵磁電感 進行，所以振幅很快就衰減到0。圖3-c為電源開關管D、S兩端的波形。

　　在圖6-c中，Uda為開關管Q1關斷期間，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為開關管關斷期間D、S兩極之間電壓的峰值。Udp和Uda的值均與占空比有關，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