推挽式變壓器開關電源原理

1、推挽式變壓器開關電源原理推挽式變壓器開關電源原理陶顯芳老師談開關電源原理與設計-所謂雙激式變壓器開關電源，就是指在一個工作周期之內，變壓器的初級線圈分別被直流電壓正、反激勵兩次。與單激式變壓器開關電源不同，雙激式變壓器開關電源一般在整個工作周期之內，都向負載提供功率輸出。雙激式變壓器開關電源輸出功率一般都很大，因此，雙激式變壓器開關電源在一些中、大型電子設備中應用很廣泛。這種大功率雙激式變壓器開關電源最大輸出功率可以達300瓦以上，甚至可以超過1000瓦。推挽式、半橋式、全橋式等變壓器開關電源都屬于雙激式變壓器開關電源。本次先就其中的推挽式變壓器開關電源進行講解。推挽式變壓器開關電源的工作原理

2、在雙激式變壓器開關電源中，推挽式變壓器開關電源是最常用的開關電源。由于推挽式變壓器開關電源中的兩個控制開關K1和K2輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對稱，并且開關電源在整個工作周期之內都向負載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應速度很高，電壓輸出特性也很好。推挽式變壓器開關電源是所有開關電源中電壓利用率最高的開關電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，所以推挽式變壓器開關電源被廣泛應用于DC/AC逆變器，或DC/DC轉換器電路中。1.交流輸出推挽式變壓器開關電源一般的DC/AC逆變器，如交流不間斷電源（簡稱UPS,大多數(shù)都是采用推挽式變壓器開關電源電路。這種DC/AC逆變器工

3、作頻率很高，所以體積可以做得非常??；由于這個特點，推挽式變壓器開關電源也經(jīng)常用于AC/AC轉換電路中，以減小電源變壓器的體積。T圖1.27圖1-27是交流輸出純電阻負載推挽式變壓器開關電源的簡單原理圖。圖中，K1、K2是兩個控制開關，它們工作的時候，一個接通，另一個關斷，兩個開關輪流接通和關斷，互相交替工作；T為開關變壓器，N1、N2為變壓器的初級線圈，N3為變壓器的次級線圈；Ui為直流輸入電壓，R為負載電阻；uo為輸出電壓，io為流過負載的電流。圖1-27中，當控制開關K1接通時，電源電壓Ui通過控制開關K1被加到變壓器初級線圈N1繞組的兩端，通過電磁感應的作用在變壓器次級線圈N3繞組的兩端

4、也會輸出一個與N1繞組輸入電壓成正比的電壓，并加到負載R的兩端，使開關電源輸出一個正半周電壓。當控制開關K1由接通轉為關斷時，控制開關K2則由關斷轉為接通，此時電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N2繞組的兩端，通過互感在變壓器次級線圈N3繞組的兩端也輸出一個與N2繞組輸入電壓成正比的電壓uo,并加到負載R的兩端，使開關電源輸出一個負半周電壓。由于電源電壓Ui加到變壓器初級線圈N1繞組和N2兩端產(chǎn)生磁通的方向正好相反，所以在負載上可得到一個與線圈N1、N2繞組所加電壓對應的正、負極性電壓uo。正半周對應的是K1接通時，N1繞組與N3繞組互相感應的輸出電壓；負半周對應的是K2接通時，N2繞組與N3繞

5、組互相感應的輸出電壓。下面我們進一步詳細分析推挽式變壓器開關電源的工作原理。圖1-27中，當控制開關K1接通時，輸入電源Ui開始對變壓器初級線圈N1繞組加電，電流從變壓器初級線圈N1繞組的兩端經(jīng)過，通過電磁感應會在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場，并產(chǎn)生磁力線；同時，在初級線圈N1繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動勢el,在次級線圈N3繞組的兩端也會產(chǎn)生感應電動勢e3;感應電動勢e3作用于負載R的兩端，從而產(chǎn)生負載電流。因此，在初、次級電流的共同作用下，在變壓器的鐵心中會產(chǎn)生一個由流過變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的合成磁場，這個磁場的大小可用磁力線通量(簡稱磁通量)，即磁力線的數(shù)目0來表示。如果用©1來表

6、示變壓器初級線圈N1繞組電流產(chǎn)生的磁通量，用03來表示變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通量，由于變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的磁場方向總是相反，則在控制開關K1接通期間，由流過變壓器初、次級線圈電流在變壓器鐵心中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量力為：族二一砂3K1接通期間(1425)其中變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通41還可以分成兩個部分，一部分用來抵消變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通43,記為$10,另一部分是由勵磁電流產(chǎn)生的磁通，記為<!)1。顯然。10=335A（）1=（）即：變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關，與流過變壓器次級線圈中的電流無關；流過變壓器次級線圈中的電流產(chǎn)生

7、的磁通，完全被流過變壓器初級線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。根據(jù)電磁感應定律可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程：el=Nl=UiK1接通期間(L126)同樣,可以對變壓器次級線圈-3繞組回路列出方程：u3=N3a=(Up)K1接通期間(1-127)dr上式中，(Up)為開關變壓器次級線圈N3繞組正激輸出電壓的幅值，用括弧匡住來表示。由于流過開關變壓器初級線圈N1繞組的勵磁電流是線性變化的，所以我們可認為開關變壓器次級線圈N3繞組正激輸出電壓是一個方波。方波的幅值Up與半波平均值Upa以及有效值Uo三者完全相等根據(jù)(1-126)和(1-127)可以求得:(up)=e3=nel=nUiK

8、I接通期間(1-128)(1-128)式就是推挽式變壓器開關電源正激輸出時的電壓關系式。上式中，(Up)為開關變壓器次級線圈N3繞組正激輸出電壓的幅值，Ui為開關變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓；n為變壓比，即：開關變壓器次級線圈輸出電壓與初級線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關變壓器次級線圈N3繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比，即：n=N3/N1。由此可知，在控制開關K1接通期間，推挽式變壓器開關變壓器次級正激輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級變壓比有關。同理我們也可以求得，當控制開關K2接通時，開關變壓器N3線圈繞組正激輸出電壓的幅值(Up-)為：(Up-)=一。3=一加2=-nu

9、.K2接通期間(1-129)上式中的負號表示e3的符號與(1-128)式中的符號相反，（Up-）表示與（Up）的極性相反。這里還需指出，（1-128）式和（1-129）式列出的計算結果，并沒有考慮控制開關K1或K2關斷瞬間，勵磁電流存儲的能量也會通過變壓器的次級線圈N3繞組產(chǎn)生反電動勢（反激式輸出）的影響，即：推挽式變壓器開關電源同時存在正、反激電壓輸出。反激式電壓產(chǎn)生的原因是因為K1或K2接通瞬間變壓器初級或次級線圈中的電流初始值不等于零，或磁通的初始值不等于零。即：推挽式變壓器開關電源中反激式電壓的產(chǎn)生是由變壓器勵磁電流存儲的能量產(chǎn)生的。實際上，推挽式變壓器開關電源的反激式輸出電壓也是不能

10、忽略的。推挽式變壓器開關變壓器次級線圈的輸出電壓應該同時包括兩部分，正激輸出電壓和反激輸出電壓。不過，在推挽式變壓器開關電源中，輸出功率主要還是以正激式輸出功率為主，因為，變壓器的勵磁電流很小，一般只有正常工作電流的幾分之一，到十分之一。因此，圖1-27中，當控制開關K1關斷，K2接通瞬間，開關變壓器次級線圈輸出電壓應該等于正激電壓（由（1-128）和（1-129）式給出）與反激電壓（由（1-67）或（1-68）式給出）之和。關于純電阻負載反激式輸出電壓的計算，請參考前面1-5-1.單激式變壓器開關電源的工作原理章節(jié)中的相關內容分析，這里不再贅述。根據(jù)（1-67）式（叫-簧Q）0合K關斷期間（

11、1-67）可求得，開關變壓器次級線圈N3繞組產(chǎn)生的反激式輸出電壓為：%二R=55-K1關斷期間(1-130)上式中，uo表示開關變壓器次級線圈N3繞組輸出的反激式電壓，i3表示開關變壓器次級線圈N3繞組輸出反激式電壓對負載R產(chǎn)生的電流。括弧中的第一項表示變壓器次級線圈回路中的電流，第二項表示變壓器初級線圈回路中勵磁電流被折算到變壓器次級線圈回路的電流。另外根據(jù)（1-129）式求得的結果，開關變壓器次級線圈N3繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓為：（Uo）=K2接通期可上面兩式中，uo表示開關變壓器次級線圈N繞組輸出的反激式電壓，（uo）表示開關變壓器次級線圈N3繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓。因此，開關變壓器

12、次級線圈輸出電壓uo等于正激電壓（uo）與反激電壓uo之和，即：RU旦-nU.+CnU,一一片卻)2JK2接通期間(732)上式是推挽式變壓器開關電源在負載為純電阻時，輸出電壓uo的表達式。由（1-132）式可以看出，當t=0時，即：控制開關K1關斷瞬從（1-133）式可以看出，在控制開關K1關斷瞬間，當變壓器次級線圈回路負載開路，或負載很輕的時候，變壓器次級線圈回路會產(chǎn)生非常高的反電動勢。%=5尸一定口4關斷瞬間(1433)但在實際應用中，并不完全是這樣。因為，當控制開關K1關斷瞬間，控制開關K2也會同時接通，此時開關變壓器初級線圈N2繞組也同時被接入電路中，N2線圈繞組對于開關變壓器初級線

13、圈N1繞組來說，它也相當于一個變壓器次級線圈，它也會產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢的方向與輸入電壓Ui的方向正好相反；因此，在控制開關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N2繞組吸收，并產(chǎn)生感應電流對輸入電壓Ui充電。（1-132）式和（1-133）式并沒有完全考慮，開關變壓器初級線圈N1繞組和N2繞組被互相看成是一個變壓器次級繞組時，所產(chǎn)生的影響。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

14、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。當N1和N2被互相看成是一個變壓器次級繞組時，由于N1線圈繞組存儲的磁能會同時在N1、N2、N3等線圈繞組兩端產(chǎn)生反電動勢或感應電動勢，同理，N2線圈繞組存儲的磁能會同時在N1、N2、N3等線圈繞組兩端產(chǎn)生反電動勢或感應電動勢。而N1或N2線圈繞組產(chǎn)生的反電動勢或感應電動勢的電流方向正好與輸入電流的方向相反，因此，開關變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組互相感應產(chǎn)生的反電動勢或感應電動勢，會對輸入電壓Ui進行反充電；即：開關變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組互相感應產(chǎn)生的反電動勢或感應電動勢會被Ui進行限幅，這相當于變壓器次級線圈N3繞組輸出

15、電壓uo也要通過變壓比被Ui進行限幅因此，變壓器次級線圈N3繞組輸出電壓uo中的反激式輸出電壓uo,并不會像（1-132）和（1-133）算式所表達的結果那么高。另外，根據(jù)（1-75）式：UpaXTon=Upa-XToff一個周期內（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（1-75）式可知，反電動勢（反激輸

16、出電壓）的半波平均值還是小于正激電壓的半波平均值。所以，（1-132）和（1-133）式所表示的結果,可看成是推挽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，推挽式變壓器開關電源的輸出電壓uo,主要還是由（1-128）、（1-129）、（1-131）等式來決定。即：推挽式變壓器開關電源的輸出電壓uo,主要由開關變壓器次級線圈N3繞組輸出的正激電壓來決定。圖1-28是圖1-27推挽式變壓器開關電源，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1-28-a）和圖1-28-b）分別表示控制開關

17、K1接通時，開關變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓波形，和流過變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流波形；圖1-28-c）和圖1-28-d）分別表示控制開關K2接通時，開關變壓器初級線圈N2繞組兩端的電壓波形，和流過開關變壓器初級線圈N2繞組兩端的電流波形；圖1-28-e）和圖1-28-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N3繞組兩端輸出電壓uo的波形，和流過開關變壓器次級線圈N3繞組兩端的電流波形。從圖1-28-b）和圖1-28-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繞組或N2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

18、器次級線圈N3繞組中有電流流過的原因。當變壓器次級線圈N3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或N2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繞組或N2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N3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N3繞組電流的n倍，n為變壓器次級線圈N3繞組與初級線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比。從圖1-28-f）中我們可以看出，流過開關變壓器次級線圈N3繞組兩端的電流波形是個矩形波，而不是三角波。這是因為推挽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、

19、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，兩者同時作用的結果，正好輸出一個矩形波。從圖1-28-e）還可以看出，輸出電壓uo由兩個部分組成，一部分為輸入電壓Ui通過變壓器初級線圈N1繞組或N2感應到次級線圈N3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繞組或N2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

20、指出，圖1-28-e）中的波形有上沖，在純電阻負載中是正常的，盡管N1和N2互相都可以把對方看成是變壓器次級繞組，并對高于輸入電壓Ui的反電動勢電壓進行限幅，但因為線圈N1繞組與線圈N2繞組之間有漏感，線圈N2繞組與線圈N3繞組之間也有漏感，況且，控制開關在剛接通瞬間有比較大的電阻，因此,變壓器次級線圈N3繞組瞬間反激輸出電壓高于正激輸出電壓是肯定的。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。UC八hUje)0口ct當要求推挽式變壓器開關電源輸出電壓波形的反沖幅度很小時，可采用如圖1-29所示的電路T圖1.29圖1-29與圖1-27相

21、比，多了兩個阻尼二極管D1、D2,它們分別與控制開關K1、K2并聯(lián)。當控制開關K1由接通轉換到關斷時，在N2線圈中產(chǎn)生的感應電動勢e2,不管K2處于什么工作狀態(tài)，接通或關斷，只要N2線圈中產(chǎn)生的感應電動勢e2的幅度超過工作電壓Ui,二極管D2就會導通，相當于感應電動勢e2通過二極管D2被工作電壓Ui限幅，同時也相當于變壓器次級線圈N3繞組輸出電壓uo也要通過電磁感應被Ui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el的幅度超過工作電壓Ui,二極管D1就會導通，感應電動勢el就會通過二極

22、管D1被工作電壓Ui限幅，這也相當于變壓器次級線圈N3繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被Ui進行限幅，而二極管D1對控制開關K1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el對控制開關K1、K2反向擊穿。2.整流輸出推挽式變壓器開關電源整流輸出推挽式變壓器開關電源，由于兩個開關

23、管輪流交替工作，相當于兩個開關電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關電源輸出功率的兩倍。因此，推挽式變壓器開關電源輸出功率很大，工作效率很高，經(jīng)橋式整流或全波整流后，僅需要很小的濾波電感和電容，其輸出電壓紋波就可以達到非常小。圖1-30是橋式整流輸出推挽式變壓器開關電源工作原理圖，除了整流濾波電路以外，其余部分電路的工作原理基本與圖1-27相同。橋式整流電路由D1、D2、D3D4組成，C為儲能濾波電容，R為負載電阻，Uo為直流輸出電壓，Io為流過負載電阻的電流。圖1-31是全波整流輸出的推挽式變壓器開關電源工作原理圖，同樣，除了整流濾波電路以外，其余部分電路的工作原理基本與圖1-27和圖1

24、-30相同。但開關變壓器的次級需要多一個繞組，兩個繞組N31、N32輪流輸出電壓；全波整流電路由D1、D2組成，C為儲能濾波電容，R為負載電阻，Uo為直流輸出電壓，Io為流過負載電阻的電流圖1-30與圖1-31比較，橋式整流輸出的推挽式變壓器開關電源比全波整流輸出的推挽式變壓器開關電源多用兩個整流二極管，但全波整流輸出的開關變壓器又比橋式整流輸出的開關變壓器多一組次級線圈。因此，圖1-30橋式整流輸出推挽式變壓器開關電源比較適用于輸出電流相對較小的情況；而圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關電源比較適用于輸出電流相對較大的情況。因為，大電流整流二極管成本高，而且損耗功率也比較大。下面我們來詳

25、細分析圖1-30橋式整流輸出推挽式變壓器開關電源和圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關電源的工作原理。由于圖1-30橋式整流輸出推挽式變壓器開關電源或圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關電源的電壓輸出電路中都接有儲能濾波電容，儲能濾波電容會對輸入脈動電壓起到平滑的作用，因此，圖1-30和圖1-31中輸出電壓Uo都不會出現(xiàn)很高幅度的電壓反沖，其輸出電壓的峰值Up基本上就可以認為是半波平均值Upa其值略大于正激輸出nUi,即：橋式整流輸出推挽式變壓器開關電源或全波整流輸出推挽式變壓器開關電源，整流濾波輸出電壓Uo的值略大于正激輸出nUi,n為變壓器次級線圈N3繞組與初級線圈N1繞組或N2繞組的

26、匝數(shù)比。圖1-30圖1-31因此，推挽式變壓器開關電源的輸出電壓uo,主要還是由（1-131）式來決定。即：推挽式變壓器開關電源的輸出電壓uo（K1或K2接通期間），約等于開關變壓器次級線圈N3繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓Up或Up-的半波平均值Upa或Upa-:生=Up”嗚K1接通期間(1-134)%=Upa-二一nUiK2接通期間上式中，uo為推挽式變壓器開關電源的輸出電壓，n為變壓器次級線圈N3繞組與初級線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比，Ui為開關變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組的輸入電壓。圖1-32是橋式整流輸出或全波整流輸出推挽式變壓器開關電源，在兩個控制開關K1和K2交替接通和斷開，且占

27、空比D均等于0.5時，各主要工作點的電壓、電流波形。圖1-32-a）和圖1-32-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u1的波形，以及流過變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流i1波形；圖1-32-c）和圖1-32-d）分別表示控制開關K2接通時，開關變壓器初級線圈N2繞組兩端的電壓u2的波形，以及流過開關變壓器初級線圈N2繞組兩端的電流i2的波形；圖1-32-e）和圖1-32-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N3繞組兩端輸出電壓uo的波形，以及流過開關變壓器次級線圈N3繞組兩端的電流波形。圖1-32-f）中，虛線箭頭表示反激式輸出電流是由

28、最大值開始，然后逐漸減小到最小值；而實線箭頭表示正激式輸出電流則是由最小值開始，然后逐漸增加到最大值；因此，兩者同時作用的結果，正好輸出一個矩形波。fl0圖1凸2tL>i3ulin-從圖1-32-e）可以看出，輸出電壓uo雖然還是由兩個部分組成，一部分為輸入電壓Ui通過變壓器初級線圈N1繞組或N2感應到次級線圈N3繞組的正激式輸出電壓（uo）;另一部分為勵磁電流通過變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組存儲的能量產(chǎn)生的反激式輸出電壓uo;這里反激式輸出電壓uo不會再使波形產(chǎn)生反沖，是因為儲能濾波電容會把反沖電壓吸收掉，使其成為充電流。由于推挽式變壓器開關電源輸出電壓的半波平均值Upa幅值基本上是穩(wěn)定的，它不會像反激式輸出開關電源那樣，輸出電壓的幅值隨著控制開關占空比的改變而改變。因此，如果需要調整推挽式變壓器開關電源輸出電壓，只能通過改變兩個控制開關的占空比，來改變輸出電壓的平均值。因此，在輸出電壓可調的推挽式變壓器開關電源電路中，必須要在整流輸出電路后面加接一個LC儲能濾波電路，才能從整流輸出的脈動直流電壓中提取平均值輸出。圖1-33是輸出電壓可調的推挽式變壓器開關電源電路。實際上圖1-33就是在圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關電源電路的基礎上，在整流輸出電路后面加接了一個LC儲能濾波電路。LC