自激振蕩電源

雙變壓器推挽自激振蕩電源該種自激電源有好幾種方式都可以實(shí)現(xiàn)自激振蕩，本文對各種方式的工作機(jī)理進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。1利用驅(qū)動變壓器磁芯的飽和實(shí)現(xiàn)自激振蕩1.1工作原理：如圖1所示，設(shè)Q2導(dǎo)通、Q1關(guān)斷，電流經(jīng)過L2流到Q2,同時有電流經(jīng)過L1、R1流到Q2,Vab=2Vin,T2磁通密度線性增加；T2開始飽和時，Q2驅(qū)動電流減小，Q2進(jìn)入放大區(qū)，流過Q2的Ic也減小,L2使b點(diǎn)電壓升高，Vab減小，Q2電流減小更快，形成正反饋，使Q2迅速關(guān)斷；當(dāng)Q2關(guān)斷時，L1、L2中的能量使Vab極性反轉(zhuǎn)，于是Q1瞬間導(dǎo)通，開始新的周期。圖中Rst提供啟動電流，D5為驅(qū)動電流提供回路。振蕩的條件：在T2未飽和之前，一直要維持開通管深度飽和導(dǎo)通，要求T2副邊輸出電壓足夠高。假如Q2的飽和深度很淺，放大倍數(shù)的微小變化會使Q2進(jìn)入放大區(qū)，導(dǎo)致電路翻轉(zhuǎn)。為此，R1要足夠小，或T2匝比K2=Np/Ns足夠小，以使Q2飽和足夠深，微小干擾不會使電路翻轉(zhuǎn)。當(dāng)負(fù)載重時，Q2導(dǎo)通時流過的Ic2大，要求Ib2也大以維持Q2飽和導(dǎo)通（Ic2包括L2中的負(fù)載電流、L1中的T2原邊電流及T1的勵磁電流）；Ib2受T2及驅(qū)動電阻控制，與Ic2無關(guān)。若Ib2太小，Ic2增加后，Q2進(jìn)入放大區(qū)，阻抗增大，使Vab減小，導(dǎo)致Q1驅(qū)動電流不夠飽和導(dǎo)通，翻轉(zhuǎn)后不能維持住，從而自激會逐漸衰減。1.3缺點(diǎn)：由于R1較小，當(dāng)T2飽和的時候流過的電流就很大，該電流要流進(jìn)即將關(guān)斷的Q2；由于Q2是深度飽和，退出飽和時驅(qū)動電壓為零，儲存的電荷靠自然復(fù)合而消失，所以退出飽和的時間比較長；以上兩個因素會導(dǎo)致Q2關(guān)斷時有一個幅度大、維持時間也較長的電流，導(dǎo)致關(guān)斷損耗大。仿真波形如圖2所示，R1=10時，Q2的驅(qū)動電流Ib有100mA。1.4實(shí)驗(yàn)波形：以5D5-80為例，圖2a是驅(qū)動電阻兩端的電壓波形，除以10即得到驅(qū)動電流Ib,在整個開通期間驅(qū)動電流基本恒定。圖2b是三極管的Ic,關(guān)斷前有上翹。圖2c是R1兩端的電壓波形，翻轉(zhuǎn)前電壓有上翹，說明驅(qū)動變壓器T2飽和。R1Q12SD1arVb21061710K2TC6_4_2_3F3COUPLING=1156L3L317L417圖1D1D1N4148D4D1N4148D3D1N4148R1Q12SD1arVb21061710K2TC6_4_2_3F3COUPLING=1156L3L317L417圖1D1D1N4148D4D1N4148D3D1N4148D2D1N41485KK1TN10_6_4_3F3COUPLING=0.999Vo_J+-|4-Co12.2uCo22.2uRo190Ro2907-1o-ISR-SOOlkA」B＞：K2：iTime￡0DlU-iLnJ-OK 1 1 3QOus 920us|T□ir(Q2)|Ttz?.Qj：|31圖2fO4S0mUJa264mURIGOLSTOPRIGOLSTOPUoyr(l)=4UmaK(l?=3.S4UUcyrd)=+j+=ti7-1o-ISR-SOOlkA」B＞：K2：iTime￡0DlU-iLnJ-OK 1 1 3QOus 920us|T□ir(Q2)|Ttz?.Qj：|31圖2fO4S0mUJa264mURIGOLSTOPRIGOLSTOPUoyr(l)=4UmaK(l?=3.S4UUcyrd)=+j+=ti+Uinax〔l〕=556mU]爾凹1.00USTime2.000ns0*0.0000sm:■四i00muiaTimeZ.000U5O+-1.840USCurO：-7.52usCurB=8:朋：：15.?us1 ：62.SI(H2CukO：-S.36usCurB=6.56-us圖2a驅(qū)動電流Ib=V/10圖2b三極管集電極電流Ic=V/0.22STOF1voj廠⑴J7O264riil.JRIGOLUm王瞪①=6.80WBUS2.00UiaTime2.000US0+3.200usCurO：-4.32ueCurB:11-Euwli^l=15.3USI1^1=￡2.ekH3圖2c驅(qū)動變壓器原邊電流Ic=V/102利用主變壓器磁芯的飽和實(shí)現(xiàn)自激振蕩2.1增加R1將引入更多的負(fù)反饋，由于R1的增大，T2原邊電壓V1減小，T2進(jìn)入飽和慢，導(dǎo)致振蕩頻率降低。

若R1進(jìn)一步增大，在T2進(jìn)入飽和之前T1先飽和，也會使電路翻轉(zhuǎn)。由圖3可見，R1增加以后，三極管的驅(qū)動電流lb不再保持恒定，而是逐漸減小的。設(shè)R1=200，則lb直線下降，其過程是這樣的：T2翻轉(zhuǎn)瞬間將能量儲存在T2磁芯中，此時D2導(dǎo)通，則V2=Vb+Vd.......(1)Vd是D的導(dǎo)通壓降，Vb約等于三極管的基射極電壓，所以V2基本是個常數(shù)，此時的副邊電流近似線性下降，假若T2副邊電感為L2,則有：V2(t)二i(0)- -1，其中：i(0)=K2?門 ⑵2 L2 2當(dāng)i2下降到等于1st之后，D5關(guān)斷，Vb和V2開始下降，由于1st的存在，三極管仍導(dǎo)通；當(dāng)T1開始飽和時，電路翻轉(zhuǎn)。仿真波形如下：30V400HA-iriOliAd-400HAH30V400HA-iriOliAd-400HAH匚WL：!-0OO31A 1 1—|~l]j7"：r(He? v evctrej回Irma圖3圖4從圖4可見T1先以T2飽和。圖3中，由于T1的飽和，三極管lc在關(guān)斷前有一個上翹。缺點(diǎn)：主變壓器是傳遞功率的，磁芯往往比較大，利用主變壓器的飽和來翻轉(zhuǎn)會增加磁芯損耗，不利于效率的提高；雖然T2沒有飽和，但T1的飽和也會使三極管的lc在關(guān)斷前上翹，增加關(guān)斷損耗。2.3實(shí)驗(yàn)波形：仍以5D5-80為例，圖3a是驅(qū)動電流波形(Rb兩端的電壓除以10)，電流是逐漸減小的。圖3b是三極管的IC,關(guān)斷前有上翹。圖3c是R1兩端的電壓波形，翻轉(zhuǎn)前電壓沒有上翹，說明驅(qū)動變壓器T2沒有飽和，而是主變壓器T1的飽和引起的翻轉(zhuǎn)。UQ^r(l)=0擊盅CurO=-18.2usCurB=Q.00s!A>i!=18.2US11^1=5斗.圄：■凹500mUSTime5.000ljs0*0.6000sRIGOLSTOF1IiymaxaJ=jtl-56UUQ^r(l)=0擊盅CurO=-18.2usCurB=Q.00s!A>i!=18.2US11^1=5斗.圄：■凹500mUSTime5.000ljs0*0.6000sRIGOLSTOF1IiymaxaJ=jtl-56U[冊凹100rnU[=]Tiriie5?000lisO+U?0800sfO228riiL.JfO264niU=1160mUIJiHJ廠⑴=：+：卅+：半:七RIGOLST0F'eCurO：-1S.2ueCurB=O.S&sIA^；=IS.ZusI1^1=5斗.9kHz圖3a驅(qū)動電流Ib=V/10圖3b三極管集電極電流Ic=V/0.22SSSrii1-..1RIGOLSTOFTimeSSBljeO*@ijiUm3xi：l：i=^401.-1Curfi：二18.2usCur-B=9?90s出常"坦.2曲:1^：~54?9l:H=UourilJsl^l■:Has5?00U[3圖3c驅(qū)動變壓器原邊電流Ic=V/103利用電容C1實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)D1

D1N4148

宀一D4D1N4148D3D1N4148D2D1N4148Vo丁Co1D1

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宀一D4D1N4148D3D1N4148D2D1N4148Vo丁Co12.2u|4-Co22.2uRo190Ro290QQK2TC6_4_2_3F3COUPLING=10K1TN10_6_4_3F3COUPLING=0.999圖5

3.1實(shí)現(xiàn)的方法：將二極管D5換成電容C1,得到圖5所示的電路。該電路不是靠驅(qū)動變壓器T2或主變壓器T1的飽和產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)的，而是依靠T2副邊電感與電容C1的諧振產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)后瞬間，能量存于電感L6中；C1較大，其上電壓基本不變，變壓器T2副邊電壓V2也基本不變，驅(qū)動電流lb按式（2）的關(guān)系線性減小，直到lb變負(fù)，抽干三極管基射極的儲存電荷后而關(guān)斷三極管。從圖6可見，T1和T2的磁密B1、B2均未進(jìn)入飽和；從圖7看，C1上的電壓是-2.42V,波動只有2.8mV；驅(qū)動電流線性減小到負(fù)以后才翻轉(zhuǎn)；圖8是三極管的lc和Vc波形，lc在關(guān)斷前沒有上翹現(xiàn)象，且實(shí)現(xiàn)了零電壓開通和零電流關(guān)斷。BOOAIJ400-400i：i.99Lu!50.994015Q.99SasQ.99GulsBOOAIJ400-400i：i.99Lu!50.994015Q.99SasQ.99Guls0.站Quadj.口E(KL)*E(KZ)Tlua-BOOd_*-i：i.99Qtt5lOudL-10mAa.^94^3This-Z.420V-1-20mA 1lOudL-10mAa.^94^3This-Z.420V-1-20mA 1 1 1 0.990113 D-95Zn±.[T]口V(C1:2J [T| 4 丄)圖7呂iaOmiEOOttJL"EOOnA0-992ns□.990ms回右廿〔JLJ巨］呂iaOmiEOOttJL"EOOnA0-992ns□.990ms回右廿〔JLJ巨］口工匚⑴丄）0.的0m肯0-394ms0.9sens圖83.2實(shí)驗(yàn)波形：仍以5D5-80為例，圖9三極管集電極電流Ic及電壓Vc波形，實(shí)現(xiàn)了零電壓開通和零電流關(guān)斷；Ic沒有上翹現(xiàn)象，說明兩個變壓器都沒有飽和。圖10是驅(qū)動電流波形（Rb兩端的電壓除以10），電流是逐漸減小的，并一直到負(fù)以后才翻轉(zhuǎn)。圖11是C1兩端的電壓，約為-170mV基本不變。圖11a是C1兩端電壓的紋波，可見，C1處于諧振狀態(tài)。l?2mURIEOLSTOPMiiB56■日CH2-2、00U[3Time500■日nsO*-1?860usRIGOLSTOPUowr(l) =224mUM話凹lSBmUSTimel?2mURIEOLSTOPMiiB56■日CH2-2、00U[3Time500■日nsO*-1?860usRIGOLSTOPUowr(l) =224mUM話凹lSBmUSTimeI.SSSlisO+-1.860usf0 100mUUo^r(l)=31■叫K150mU圖9三極管集電極電流Ic及電壓Vc圖10驅(qū)動電流Ib=V/10156mUUu1-..1r(l)=：t：：+=：t：=+：：+=■1斗亦|jUowr(l)=47-^UmaAd^S.eerii1...1M；IB56?0『|山圖5?00mU[3Time1?000lisO+-1?8t.0usTime1?UBBusO+-1?St-uusF2IG0LSTOF' f0■：；.00rilUF：IGOLSTOP1E?■■ ■ ■ii■ ■■ ■iI'll-iiiiiiii111圖11a電容C1上的電壓紋波圖圖11a電容C1上的電壓紋波試驗(yàn)得出的電路特性及調(diào)試方法如下Rst的確定:啟動時該電阻提供驅(qū)動電流,穩(wěn)定工作時亦提供驅(qū)動電流。設(shè)負(fù)載電流Io,T1的變比K1=Np:Ns,三極管Ic=2*Io*Ns/Np(輸出為正負(fù)兩路)；設(shè)三極管電流放大倍數(shù)為hfe,Ib=Ic/hfe；Rst=Vin/Ib。例1：型號5D5-80Io=80mANp=10 Ns=17Ic=2*80*17/10=272mA設(shè)三極管2SD1628的hfe=200,Ib=Ic/hfe=272/150=1.8mARst=5/1.8=2.77k(實(shí)際取Rst=2.2k)Rst的大小對振蕩頻率影響很大，Rst減小頻率降低，實(shí)際選取Rst應(yīng)使振蕩頻率在合理范圍。C1的大小對振蕩頻率影響不大，為了不使C1的電壓波動太大，容量不能太小，調(diào)試時可以取C1=1uF,隨著功率的增加，C1要減小。3.3.3驅(qū)動變壓器T2，在翻轉(zhuǎn)瞬間副邊電流I2=I1*N1/N2,為了保證翻轉(zhuǎn)成功，要有:I2>Ib,I2越大啟動越快，可以取I2=10*Ib。副邊輸出電壓V2=Vb-Vc1,Vb對應(yīng)三極管基射極pn結(jié)電壓，約0.8V,Vc1是C1上的電壓；設(shè)T2變比為K2=N1:N2，則原邊電壓V1=V2*N1/N2；原邊電流I1=(2*Vin-V1)/R1?，F(xiàn)有驅(qū)動變壓器變比K2=36:13，Vc1=-0.17，則V2=0.8+0.17=0.97VV1=0.97*36/13=2.69V取I2=10*Ib=10*1.8=18mA,則I1=I2*N2/N1=18*13/36=6.5mA由V1=2Vin-I1*R1得：R1=(2Vin-V1)/I1=(2*5-2.69)/6.5=1.2k,實(shí)際由于變壓器繞組阻抗影響，取R1=470Q。3.3.4翻轉(zhuǎn)頻率：剛翻轉(zhuǎn)后，設(shè)Q1導(dǎo)通，流進(jìn)Q1的基極電流包括三部分：驅(qū)動變壓器耦合過來的電流、另一個管子關(guān)斷前的反向驅(qū)動電流、流過Rst的電流。反向關(guān)斷電流涉及存儲電荷的多少，與三極管的特性有關(guān)，難于計算，近似用I2代替，則Ib(0)=2*I2+Vin/Rst；設(shè)T2副邊電感為L2,V2加在L2上使Ib線性減小直到0,電流變化率Ki=-V2/L2，電流從Ib(0)減小到0需要的時間t1=Ib(0)/Ki；三極管的存儲時間為ts(從datasheet得到),則翻轉(zhuǎn)頻率fs=1/[2*(t1+ts)]。Ib(0)=2*18+5/2.2=38mA驅(qū)動變壓器T2的副邊繞組電感L2=30uH,則Ki=-0.97/30=-32mA/ust1=38/32=1.2us從datasheet得到t2=0.5usFs=1/(2*1.7)=294kH3.3.5增加帶載能力的措施：當(dāng)負(fù)載較重時，啟動的時候有停振現(xiàn)象。這是因?yàn)閱訒r要給輸出電容充電，所以負(fù)載最重，即三極管的Ic最大；按照Ib=Ic/hef,要使三極管飽和導(dǎo)通，要求驅(qū)動電流Ib也相應(yīng)增大，否則三極管進(jìn)入放大區(qū)而造成停振。增加驅(qū)動電流Ib的方法有：減小反饋電阻R1，或增加T2的匝比K2=N1:N2。4與原有設(shè)計的對比4.1原有設(shè)計存在的問題原有設(shè)計電路圖如圖12所示，C1并在啟動電阻Rst上，上電瞬間有大電流通過C1而使三極管Q1、Q24與原有設(shè)計的對比4.1原有設(shè)計存在的問題原有設(shè)計電路圖如圖12所示，C1并在啟動電阻Rst上，上電瞬間有大電流通過C1而使三極管Q1、Q2都處于深度飽和，變壓器T1原邊短路，所以有很大的電流流過Q1、Q2，由于Q1、Q2退出飽和的時間比較長，容易造成Q1、Q2的損壞。由于啟動電流大，容易造成Vin的下掉，造成啟動的過程當(dāng)中停振，延長了啟動時間，所以對輸入濾波電容Ci的要求比較高。若沒有二極管D5，驅(qū)動電流lb需流經(jīng)電源Vin,流經(jīng)的環(huán)10Ci3.3uL356V15VdcR13kL63st2

R210.1KQ2Q2SD1路太大，易造成干擾。 圖124.2實(shí)驗(yàn)波形5D5-80的改進(jìn)對比：圖13、14分別是采用原設(shè)計方案的輸出啟動延時及輸入啟動電流的情況，圖15、16分別是采用改進(jìn)后的輸出啟動延時及輸入啟動電流的情況?？梢?，雖然啟動電流大致相同，但啟動時間大大縮短，也就減輕了對三極管的沖擊。圖13圖13原方案輸出電壓延時7.6ms圖14原方案啟動輸入電流(0.18/0.22=0.82A)aRIGOLSTOFJ7O120mu1.56UUowr(l)=7.BKijwm〕=6.321-..1aRIGOLSTOFJ7O120mu1.56UUowr(l)=7.BKijwm〕=6.321-..1Uowr(l)=0-0K|...|m.3Ai：l：i=SgZrii'...1CHI-1?00Us[哦畫1?00UaTime1?000riis&*5佢100mUlmTirueL?000ms0+5?000msRIGULSTOFM圖15改進(jìn)后輸出電壓延時2ms 圖16改進(jìn)后啟動輸入沖擊電流(0.2/0.22=0.91A)12D-40的改進(jìn)對比：圖17、18分別是采用原設(shè)計方案的輸出啟動延時及輸入啟動電流的情況，圖19、20分別是采用改進(jìn)后的輸出啟動延時及輸入啟動電流的情況。對比結(jié)果：輸出啟動延時