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1開關(guān)電源功率變壓器的特性

功率變壓器是開關(guān)電源中非常重要的部件，它和普通電源變壓器一樣也是通過磁耦合來傳輸能量的。不過在這種功率變壓器中實現(xiàn)磁耦合的磁路不是普通變壓器中的硅鋼片，而是在高頻情況下工作的磁導(dǎo)率較高的鐵氧體磁心或鈹莫合金等磁性材料，其目的是為了獲得較大的勵磁電感、減小磁路中的功率損耗，使之能以zui小的損耗和相位失真?zhèn)鬏斁哂袑掝l帶的脈沖能量。

圖1（a）為加在脈沖變壓器輸入端的矩形脈沖波，圖1（b）為輸出端得到的輸出波形，可以看出脈沖變壓器帶來的波形失真主要有以下幾個方面：

圖1脈沖變壓器輸入、輸出波形

（a）輸入波形（b）輸出波形

（1）上升沿和下降沿變得傾斜，即存在上升時間和下降時間;

（2）上升過程的末了時刻，有上沖，甚至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象;

（3）下降過程的末了時刻，有下沖，也可能出現(xiàn)振蕩波形;

（4）平頂部分是逐漸降落的。

這些失真反映了實際脈沖變壓器和理想變壓器的差別，考慮到各種因素對波形的影響，可以得到如圖2所示的脈沖變壓器等效電路。

圖中：Rsi——信號源Ui的內(nèi)阻

Rp——一次繞組的電阻

Rm——磁心損耗（對鐵氧體磁心，可以忽略）

T——理想變壓器

Rso——二次繞組的電阻

RL——負(fù)載電阻

C1、C2——一次和二次繞組的等效分布電容

Lin、Lis——一次和二次繞組的漏感

Lm1——一次繞組電感，也叫勵磁電感

n——理想變壓器的匝數(shù)比，n=N1/N2

圖2脈沖變壓器的等效電路

將圖2所示電路的二次回路折合到一次，做近似處理，合并某些參數(shù)，可得圖3所示電路，漏感Li包括Lin和Lis，總分布電容C包括C1和C2;總電阻 RS包括Rsi、RP和Rso;Lm1是勵磁電感，和前述的Lm1相同;RL′是RL等效到一次側(cè)的阻值，RL′=RL/n2,折合后的輸出電壓U′o= Uo/n。

經(jīng)過這樣處理后，等效電路中只有5個元件，但在脈沖作用的各段時間內(nèi)，每個元件并不都是同時起主要作用，我們知道任何一個脈沖波形可以分解成基波與許多諧波的疊加。脈沖的上升沿和下降沿包含著各種高頻分量，而脈沖的平頂部分包含著各種低頻分量。因此在上升、下降和平頂過程中，各元件（L、C等）表現(xiàn)出來的阻抗也不一樣，因此我們把這一過程分成幾個階段來分析，分別找出各階段起主要作用的元件，而忽略次要的因素。例如，當(dāng)輸入信號為矩形脈沖時，可以分3個階段來分析，即上升階段、平頂階段和下降階段。

（1）上升階段

對于通常的正脈沖而言，上升階段即脈沖前沿，信號中包含豐富的高頻成分，當(dāng)高頻分量通過脈沖變壓器時，在圖3所示的等效電路中，C的容抗1/ωC很小，而Lm1的感抗ωLm1很大，相比起來，可將Lm1的作用忽略，而在串聯(lián)的支路中，Li的作用即較為顯著。于是可以把圖3 所示的等效電路簡化成圖4所示的等效電路。

圖3圖2的等效電路

圖4圖3的簡化電路

在這個電路中，頻率越高，ωLi越大，而1/ωC越小，因而高頻信號大多降在Li上，輸出的高頻分量就減少了，可見輸入信號Usm前沿中所包含的高頻分量就不能*傳輸?shù)捷敵龆?，頻率越高的成分到達(dá)輸出端越小，結(jié)果在輸出端得到的波形前沿就和輸入波形不同，即產(chǎn)生了失真。

要想減小這種波形失真，就要盡量減小分布電容C（應(yīng)減小變壓器一次繞組的匝數(shù)）。但又要得到一定的繞組電感量，所以需要用高磁導(dǎo)率的磁心。在繞制上也可以采取一些措施來減小分布電容，例如用分段繞法;為了減小漏感L1，可采用一、二次繞組交疊繞法等。

（2）平頂階段

脈沖的平頂包含著各種低頻分量。在低頻情況下，并聯(lián)在輸出端的3個元件中，電容C的容抗1/ωC很大，因此電容C可以忽略。同時在串聯(lián)支路中，Li的感抗ωLi很小，也可以略去。所以又可以把圖3電路簡化為圖5所示的低頻等效電路。信號源也可以等效成電動勢為Usm的直流電源。

這里可用下述公式表達(dá)

U′o=（UsmRL′）e-T/τ/（Rs+RL′）

τ=Lm1（Rs+RL′）RsRL′

可見U′o為一下降的指數(shù)波形，其下降速度決定于時間常數(shù)τ,τ越大，下降越慢，即波形失真越小。為此，應(yīng)盡量加大Lm1，而減小Rs和RL′,但這是有限的。如果Lm1太大，必然使繞組的匝數(shù)很多，這將導(dǎo)致繞組分布電容加大，致使脈沖上升沿變壞。

圖5圖3的低頻等效電路

圖6脈沖下降階段的等效 電 路

（3）下降階段

下降階段的信號源相當(dāng)于直流電源Usm串聯(lián)的開關(guān)S由閉合到斷開的階段，它與上升階段雖然是相對的過程，但有兩個不同;一是電感Lm1中有勵磁電流，并開始釋放，因此Lm1不能略去;二是開關(guān)S斷開后，Rs便不起作用，由此得出下降階段的等效電路，見圖6。

一般來說，在脈沖變壓器平頂階段以后，Lm1中存儲了比較大的磁能，因此在開關(guān)斷開后，會出現(xiàn)劇烈的振蕩，并產(chǎn)生很大的下沖。為了消除下沖往往采用阻尼措施。

2功率變壓器的參數(shù)及公式

2.1變壓器的基本參數(shù)

在磁路中，磁通集中的程度，稱為磁通密度或磁感應(yīng)強度，用B表示，單位是特斯拉（T），通常仍用高斯（GS）單位，1T=104GS。另一方面，產(chǎn)生磁通的磁力稱為磁場強度，用符號H表示，單位是A/m

H=0.4πNI/li

式中：N——繞組匝數(shù)

I——電流強度

li——磁路長度

磁性材料的磁滯回線表示磁性材料被*磁化和*去磁化這一過程的磁特性變化。圖7為一典型的磁化曲線。

由坐標(biāo)0點到a點這段曲線稱起始磁化曲線。

曲線中的一些關(guān)鍵點是十分重要的，BS：飽和磁通密度，Br：剩磁，HC：矯頑磁力。

當(dāng)Br越接近于BS值時，磁滯曲線的形狀越接近于矩形，見圖8（a），同時矯頑磁力HC越大時，磁滯曲線越寬，這表明這種磁性材料的磁化特性越硬，表明這種材料為硬磁性材料。當(dāng)Br和BS相差越大，矯頑磁力HC越小時，即磁滯曲線越瘦，表明這種材料為軟磁性材料，脈沖變壓器的磁心材料應(yīng)選用軟磁性材料，見圖8（b）。

圖7不帶氣隙的磁滯回線

圖8硬/軟磁性材料和磁滯回線

（a）硬磁材料（b）軟磁材料

如果在磁心中開一個氣隙，將建立起一個有氣隙的磁路，它會改變磁路的有效長度。因為空氣隙的磁導(dǎo)率為1，所以有效磁路長度le為

le=li+μilg

式中：li——磁性材料中的磁路長度

lg——空氣隙的磁路長度

μi——磁性材料的磁導(dǎo)率

對一個給定安匝數(shù)，有空氣隙磁心的磁通密度要比沒有空氣隙的磁通密度小。

2.2設(shè)計變壓器的基本公式

為了確保變壓器在磁化曲線的線性區(qū)工作，可用下式計算zui大磁通密度（單位：T）

Bm=（Up×104）/KfNpSc

式中：Up——變壓器一次繞組上所加電壓（V）

f——脈沖變壓器工作頻率（Hz）

Np——變壓器一次繞組匝數(shù)（匝）

Sc——磁心有效截面積（cm2）

K——系數(shù)，對正弦波為4.44,對矩形波為4.0