開關(guān)電源占空比的選擇與開關(guān)變壓器初次級線圈匝數(shù)比的計算

開關(guān)電源占空比的選擇與開關(guān)變壓器初次級線圈匝數(shù)比的計算

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1、開關(guān)電源占空比的選擇與開關(guān)變壓器初次級線圈匝數(shù)比的計算陶顯芳2011.6.26112下面是開關(guān)電源設(shè)計務(wù)必掌握的知識開關(guān)電源占空比的選擇與計算開關(guān)變壓器初次級線圈匝數(shù)比的計算2希望從事開關(guān)電源設(shè)計的工程師對此感興趣1.開關(guān)電源占空比的選擇與計算概述:占空比是脈沖寬度調(diào)制(PWM)開關(guān)電源的調(diào)制度,開關(guān)電源的穩(wěn)壓功能就是通過自動改變占空比來實現(xiàn)的,開關(guān)電源的輸出電壓與占空比成正比,開關(guān)電源輸出電壓的變化范圍基本上就是占空比的變化范圍。由于開關(guān)電源輸出電壓的變化范圍受到電源開關(guān)管擊穿電壓的限制,因此,正確選擇占空比的變化范圍是決

2、定開關(guān)電源是否可靠工作的重要因素;而占空比的選擇主要與開關(guān)電源變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比有關(guān),因此,正確選擇開關(guān)電源變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比也是一個非常重要的因素。開關(guān)電源占空比和開關(guān)電源變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比的正確選擇涉及到對開關(guān)電源變壓器初、次級線圈感應(yīng)電動勢的計算。因此,下面我們先從分析開關(guān)電源變壓器初、次級線圈感應(yīng)電動勢開始。31.1占空比的定義占空比一般是指,在開關(guān)電源中,開關(guān)管導通的時間與工作周期之比,即:……………(1)(1)式中:D為占空比,Ton為開關(guān)管導通的時間,Toff為開關(guān)管關(guān)斷的時間,T為開關(guān)

3、電源的工作周期。對于一個脈沖波形也可以用占空比來表示,如圖1所示。在反激式開關(guān)電源中,開關(guān)管導通的時候,變壓器次級線圈是沒有功率輸出的,如果把(1)中的D記為D1,(2)式中的D記為D2,則D1、D2有下面關(guān)系:D1+D2=1………………(3)4圖11.2開關(guān)變壓器初次級線圈的輸出波形圖2a是輸出電壓為交流的開關(guān)電源工作原理圖。為了便于分析,我們假說變壓器初次級線圈的變壓比為1:1(即N1=N2,L1=L2),當開關(guān)K又導通轉(zhuǎn)斷開時,變壓器初級、次級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢為:……………(4)………………………(5)圖25(5)式

4、中:………………………(6)(6)式中:為變壓器初級線圈的勵磁電流,由此可知,變壓器初、次級線圈產(chǎn)生的反電動勢主要是由勵磁電流產(chǎn)生的。我們從(5)可以看出,當變壓器初、次級線圈的負載電阻R很大或者開路的情況下,變壓器初、次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢峰值是非常高的,如果這個電壓直接加到電源開關(guān)管兩端,電源開關(guān)管一定會被擊穿。為了便于分析,我們引進一個半波平均值的概念,我們把Upa、Upa-分別定義為變壓器初、次級線圈感應(yīng)電動勢正、負半周的半波平均值。半波平均值就是把反電動勢等效成一個幅度等于Upa或Upa-的方波,如圖2b中的Up

5、a-所示。圖261.3反激式變壓器初次級線圈的輸出波形圖3圖3a為反激式開關(guān)電源的工作原理圖,圖3b為反激式開關(guān)電源變壓器初、次級線圈的波形(N1=N2時)。圖中的Ui、uL1、uL2、Up、Upa、Upa-、Ua、Ua-等前面都已經(jīng)介紹過,圖3中只多了一個整流濾波輸出電壓Uo。所謂反激式開關(guān)電源,就是電源開關(guān)管導通時,開關(guān)電源無功率輸出,僅在電源開關(guān)管截止時才有功率輸出。在反激式開關(guān)電源中,由于整流二極管以及儲能濾波電容的作用,它會把變壓器初、次級線圈產(chǎn)生的反電動勢進行平均,使峰值脈沖電壓Up(Up-)被平均成半波平均值U

6、pa(Upa-),這相當于限幅的作用,因為充滿電的電容相當于一個電壓等于Uo的電池。這種限幅作用是假說開關(guān)電源變壓器初、次級線圈沒有漏感的情況下才能成立。71.4占空比的選擇和計算1、圖4a中uL1為變壓器初級線圈N1產(chǎn)生的反電動勢,藍、紅色箭頭分別表示開關(guān)接通和關(guān)斷時,感應(yīng)電動勢的方向。2、圖4b藍色為開關(guān)接通時變壓器初級線圈N1產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢波形;紅色為開關(guān)關(guān)斷時N1產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢波形。在圖4b中,由于變壓器存儲的能量和釋放的能量相等,所以藍色波形的面積等于紅色波形的面積。即:Upa-×Ton=Upa×Toff或Ui

7、×Ton=Upa×Toff把占空比:待入上式就可以求得:Upa=(Ui+Upa)×D…………(7)(7)式就是我們用來選擇和計算占空比D的關(guān)系式。8圖4由圖4a和圖4c可以看出,(7)式括弧中的值(Ui+Upa)正好就是電源開關(guān)管兩端的電壓,電源開關(guān)管的耐壓有限,因此,開關(guān)電源的最大占空比要受到電源開關(guān)管的最高耐壓BVm值的限制。在實際應(yīng)用中,由于變壓器初級線圈的漏感是不能忽視的,因為,這個漏感產(chǎn)生的反電動勢不能通過次級整流濾波電路對其進行限幅。從(5)式可知,這個反電動勢的峰值非常大。因此,在變壓器初級線圈回路中還要另設(shè)一

8、個限幅電路,如圖5所示。9圖5中L0為變壓器初級線圈的漏感(一般為5~10%,與初次級線圈的繞法有關(guān)),L0產(chǎn)生的反電動勢會迭加在初級線圈L1產(chǎn)生的半波平均值電壓上。通過D1、C1、R1的作用可以對L0產(chǎn)生的反電動勢進行限幅,其半波平均值的大小,可以通過調(diào)整R1和C1的大小來改變,使之不要

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