單端正激式激勵變壓器的分析

DesignofSingle－endedPositiveExciterTransformer

1引言

　　在開關電源中，激勵電路十分重要，特別是采用MOSFET為主開關管時更為重要，激勵電路有時采用單端正激式電路來激勵主開關管，如圖1所示，電路中應用了激勵變壓器，實現電壓脈沖變換和隔離。該激勵變壓器設計與一般脈沖變壓器類同，但是，由于開關電源的頻率較高，脈沖間隙時間很短，占空比通常會達到50％，而且，要求在下一個脈沖到來之前變壓器磁狀態必須復位，為了實現在脈沖間隔時間內達到磁復位，變壓器的純磁化電感不能大，并采用了回授繞組NP2和箝位二極管D1，有效地限制了反沖幅值，保護場效應管V1不致被反沖電壓擊穿，在保證V1不被損壞的前提下才有可能改變磁化電感和R1值來實現變壓器的磁復位。

2反沖特性和磁復位的分析

??? 反沖特性和磁復位是變壓器磁心中貯存的磁場能量和等效電容中貯存的電場能量泄放的瞬變過程。

???? 在脈沖開始下降瞬間，脈沖源與負載相繼斷開，此時貯存在勵磁電感和電容中的能量開始泄放，電容C經R1′L△放電，當電容器上貯存的電能全部放完時，則電壓脈沖降到零，放完電所需的時間就是所謂的后沿時間。電路中由于電感的存在，電流并不因此停止，電容被反充電，形成所謂的反沖電壓；電路分析表明，這種瞬變過程的特性完全取決于并聯回路的參量，一般會出現三種狀態：即欠阻尼振蕩，臨界阻尼振蕩和過阻尼振蕩。

三種振蕩形式的歸一化方程為：

臨界阻尼振蕩k1=1U1′(t)/U0=[1－(1＋2△)2πX1]

過阻尼振蕩k1>1 式中：k1=/2R1′為阻尼因子

△=R1′τp/L△為反沖因子

X1=tb/T1為相對時間常數

tb為磁復位時間 T1=在U1′（t）電壓方程的基礎上，可以導出變壓器磁恢復時間的表達式，但電路設計均在過阻尼狀態，則可得到如下表達式：tb=L△/R1′ln[10(△＋R1′2C/L△)]

3變壓器設計要點

（1）在圖1電路中，脈沖源和負載均為場效應管，其輸入電容較大，通常采用減小L△來加速磁復位，但減小電感容易引起欠阻尼振蕩，嚴重時會導致V2場效應管二次導通或截止不充分，因此必須控制初級電感值，保證變壓器能達到磁復位和不出現欠阻尼振

蕩，在控制電感值還不能達到滿意結果時，可以調整次級并聯電阻R1；當R1減小時，振蕩會消失，但恢復時間會延長，所以電路和變壓器兩者之間應具有調整范圍，以保證在不出現振蕩的前提下變壓器磁狀態也得到復位，最佳狀態應當是臨界狀態，但電路很難設計在臨界狀態工作。

（2）在設計單端正激式激勵變壓器時鐵心選擇也十分重要，一般要求鐵心具有較高的磁通密度增量

△B值，較小的鐵心損耗和較低的脈沖磁導率μP值；能用于激勵變壓器的鐵心材料有鐵氧體，鐵基非晶，1J6721，1J34Kh等，頻率較高時可以選用鐵氧體罐形磁心，頻率較低時可以選用鐵基非晶，1J6721，1J34Kh等鐵心。

（3）回授繞組的設計主要是取決于V1的耐壓，但回授繞組的匝數應滿足如下關系式：

Upτpmax<（Np1/Np2）Up(T－τpmax)

　　回授繞組的電流與磁化電流基本相等，一般只有初級電流的50％，有的與初級電流相近，主要取決于工作的磁通密度△B值和初級電感值。

　　（4）在設計較高電壓的開關電源時，一般Ec2較高，為了提高低壓激勵電路的可靠性，激勵變壓器初次級加屏蔽，并接地，將有效地保證低壓激勵電路不致被損壞。

　　以上幾點是設計單端正激式激勵變壓器的要點。在設計時應考慮高頻集膚效應對導線電阻的影響，以及防止變壓器瞬間飽和，減小漏感等問題；這些問題的計算和分析可參考一般脈沖變壓器設計。

4設計實例

（1）指標要求:Ec1=15V，R1=51Ω,IL=1A，C=4500μF,Np1/Ns=2,f=46～100kHz,初次級隔離電位：脈沖560V、DC280V,占空比為34％。

（2）設計結果：磁心采用GU18×11,Np1=Np2=16匝,Ns=8匝,L△=0.45mH,tb=8.27μsNp1/Ns=Np2/Ns=2;在電路中工作正常。