标题:
开关电源设计技巧连载二十一：双激式开关电源变压器存在的风险
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作者:
电子工匠
时间:
2011-1-27 09:12
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开关电源设计技巧连载二十一：双激式开关电源变压器存在的风险
开关电源设计技巧连载二十一：双激式开关电源变压器存在的风险
2-1-1-7．双激式开关电源变压器存在的风险
上面我们对双激式开关电源变压器工作原理进行分析，都是考虑双激式开关电源变压器完全工作于理想的情况下而得出的结果。因此，图2-6、图2-7和（2-17）、（2-18）式的分析结果都是在理想的工作条件下进行的。如果我们把双激式开关电源变压器的工作条件稍微变动一下，我们将会看到，双激式开关电源变压器在一定的条件下，将会得出很坏的结果，即：双激式开关电源变压器在工作中存在很大的风险。
我们先来看图2-5和图2-6，如果开关变压器的铁芯在这之前已经被其它磁场磁化过，变压器铁芯中的磁通密度B正好停留在剩余磁通密度Br的位置上，那么，当第一个交流脉冲的正半周电压加到图2-5所示变压器初级线圈a、b两端时，在变压器初级线圈中将有励磁电流流过，并在变压器铁芯中产生磁场；在磁场强度H的作用下，变压器铁芯中的磁通密度B将不会按图2-6中磁化曲线e-f-a上升，而是按图2-10中的磁化曲线b-g上升。
如果变压器的伏秒容量原来是按（2-17）式来确定的，即变压器铁芯中的磁通密度的变化范围等于最大磁通密度Bm的两倍，即：ΔB = 2Bm；那么，当第一个交流脉冲的正半周电压加到图2-5所示变压器初级线圈a、b两端时，变压器铁芯中磁通密度的最大变化范围应该正好等于2Bm；由于变压器铁芯中的磁化过程是从上次剩余磁通密度Br的位置开始的，因此，变压器铁芯中新的最大磁通密度应该达到Br+2Bm 。
由于在开关变压器铁芯中没有预留防止磁饱和的气隙，在一般情况下开关变压器的伏秒容量都不会取得很大，如果根据图2-6继续延伸磁通密度的磁化曲线的长度，使之达到Br+2Bm的高度，显然此时的磁场强度已经使磁通密度达到深度饱和。
图2-10就是在图2-6的基础上，根据上面分析条件而绘制的磁化曲线图。在图2-10中，虚线表示的磁化曲线a-b-c-d-e-f-a，是开关变压器铁芯根据（2-17）式选定参数后所决定的磁滞回线图。虚线线段d-a是开关变压器铁芯的理想磁化曲线，理想磁化曲线是一条斜率等于最大磁通密度增量与最大磁场强度增量之比，且经过坐标原点的直线；当直线不经过坐标原点时，这条直线称为等效磁化曲线。由于磁通密度与输入电压对应，磁场强度与励磁电流对应，因此，理想磁化曲线d-a亦可称为变压器输入电压与励磁电流的理想负载曲线；等效磁化曲线亦可称为等效负载曲线。
在正常情况下，当有交流脉冲电压输入时，磁通密度B就会沿着理想磁化曲线d-a，由负最大值-Bm至正最大值Bm，然后，又由正最大值Bm至负最大值-Bm，来回地变化；对应磁场强度H也是沿着理想磁化曲线d-a由负最大值-Hm至正最大值Hm，然后，又由正最大值Hm至负最大值-Hm，来回变化。
但当变压器铁芯中的磁化过程是从上次剩余磁通密度Br的位置开始时，上面所分析的理想磁化过程将要被破坏，磁通密度B不会再沿着理想磁化曲线d-a进行，而是沿着另一条新的等效磁化曲线进行；这条新的等效磁化曲线应该与原理想磁化曲线d-a平行，并且经过Br点，图2-10中虚线b-h就是这条新的等效磁化曲线的一部分。这里只画出新等效磁化曲线的一半，另一半在图2-10中没有画出。
因此，当第一个交流脉冲的正半周电压输入时，如果开关变压器的伏秒容量足够大，磁通密度B将会沿着这条新的等效磁化曲线b-h进行，由上次剩余磁通密度Br的位置开始向新的最大值Bh = Br+2Bm攀升。
但由于开关变压器的伏秒容量并不足够大到能保证磁通密度向新的最大值Bh线性增长，即：在实际磁化过程中，磁通密度并没有按新的等效磁化曲线b-h移动，而是按另一条新的磁化曲线b-g（实线）移动；在这条新的磁化曲线b-g上，磁通密度B不可能会被磁场强度H磁化达到新的最大值Bh = Br+2Bm，因为，磁通密度很早就出现饱和；不管磁场强度有多大，最大磁通密度只能磁化达到Bg值。
开关变压器铁芯出现磁饱和，意味着尽管变压器初级线圈中的励磁电流增加，或磁场强度增强，但磁通密度不会随着增加，即：磁通密度增量ΔB等于0，从而变压器初级线圈中的感应电动势也等于0，这会导致变压器初级线圈中的励磁电流无限大。
在大功率开关电源中，当开关变压器铁芯出现饱和时，流过开关变压器初级线圈的励磁电流将非常大，很容易使开关器件过流损坏；或者当回路电流突然被切断时，在开关变压器的初、次级线圈中将会产生很高的反电动势，使元器件过压击穿。
在双激式变压器开关电源中，开关器件第一次开始导通的时候，其相位相对于变压器铁芯磁滞回线的相位来说，一般都是随机的。上面举例，就是开关器件初始导通相位与变压器铁芯磁滞回线的初始相位发生错位最严重的情况。这种情况，在对双激式变压器开关电源进行电路设计的时候一定要特别重视。
当电源要停止工作的时候，最好按先后顺序关断电源；先关整流输入电源，让储能滤波电容充分放完电，最后关开关管的驱动电源，让电源开关管一直工作到最后，这相当于每关断一次电源，开关变压器就要被退磁一次；下次开机的时候，变压器铁芯磁滞回线的初始相位总是从0开始。目前很多开关电源在遥控关机的时候，总是只关开关管的驱动电源，使电源开关管停止工作，从而达到关断电源的目的，但这种关断电源的方法存在比较大的工作风险。
另外，双激式变压器开关式稳压电源，其输出电压控制一般都是通过改变电源开关管的占空比，当占空比改变的时候，加到变压器两端正、负半周电压的伏秒容量肯定会发生变化，使变压器正负半周的伏秒容量不相等，脉冲宽度大的半周要比脉冲宽度小的半周伏秒容量大；此时，流过开关变压器初级线圈的电流中会含有直流分量，使磁滞回线产生偏移，即：变压器的等效磁化曲线（等效负载曲线）出现上下平移。当磁滞回线被移出安全区时，开关变压器的铁芯也会出现磁饱和。这种情况也需特别考虑。
顺便指出，双激式开关变压器的伏秒容量与单激式开关变压器的伏秒容量，虽然在概念上完全相同，但其所包含的内容是有很大差别的。双激式开关变压器的伏秒容量是相对于交流脉冲电压而言，而单激式开关变压器的伏秒容量是相对于直流脉冲电压而言。在两者数值均相等的情况下，两者对磁通密度增量ΔB的取值范围却完全不一样。
例如：在同样的伏秒容量条件之下，对于双激式开关变压器初级线圈N1绕组匝数的计算，可根据（2-17）式求得，磁通密度增量ΔB的取值范围是2Bm；而对于单激式开关变压器初级线圈N1绕组匝数的计算，可根据（2-16）式求得，磁通密度增量ΔB的取值范围是（Bm－Br）。如果两者的变压器铁芯都不留气隙，并且两者的最大磁通密度Bm取值都一样，为3000高斯；那么，前者的磁通密度增量可达6000高斯，而后者的磁通密度增量一般只有500高斯左右。
由此可见，前者的磁通密度增量是后者的12倍。如果把双激式开关变压器当成单激式开关变压器来使用，势必会损坏。实际上，当开关器件初始导通相位与双激式变压器铁芯磁滞回线的初始相位发生严重错位时，就相当于双激式变压器被当作单激式变压器来使用。因此，采用单激式变压器的设计方法来对单激式变压器进行设计，在使用中是最安全的。
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