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开关电源原理与设计（连载47）开关电源主要器件之开关电源变压器/blog/100021367星期六, 08/01/2009 - 21:51 陶显芳开关电源原理与设计第二章开关电源主要器件2-1开关电源变压器现代电子设备对电源的工作效率、体积以及安全要求等技术性能指标越来越高，在开关电源中决定这些技术性能指标的诸多因素中，基本上都与开关变压器的技术指标有关。开关电源变压器是开关电源中的关键器件，因此，在这一节中我们将非常详细地对与开关电源变压器相关的诸多技术参数进行理论分析。在分析开关变压器的工作原理的时候，必然会涉及磁场强度H和磁感应强度B以及磁通量等概念，为此，这里我们首先简单介绍它们的定义和概念。在自然界中无处不存在电场和磁场，在带电物体的周围必然会存在电场，在电场的作用下，周围的物体都会感应带电；同样在带磁物体的周围必然会存在磁场，在磁场的作用下，周围的物体也都会被感应产生磁通。现代磁学研究表明：一切磁现象都起源于电流。磁性材料或磁感应也不例外，铁磁现象的起源是由于材料内部原子核外电子运动形成的微电流，亦称分子电流，这些微电流的集合效应使得材料对外呈现各种各样的宏观磁特性。因为每一个微电流都产生磁效应，所以把一个单位微电流称为一个磁偶极子。因此，磁场强度的大小与磁偶极子的分布有关。在宏观条件下，磁场强度可以定义为空间某处磁场的大小。我们知道，电场强度的概念是用单位电荷在电场中所产生的作用力来定义的，而在磁场中就很难找到一个类似于“单位电荷”或“单位磁场”的带磁物质来定义磁场强度，为此，电场强度的定义只好借用流过单位长度导体电流的概念来定义磁场强度，但这个概念本应该是用来定义电磁感应强度的，因为电磁场是可以互相产生感应的。幸好，电磁感应强度不但与流过单位长度导体的电流大小相关，而且还与介质的属性有关。所以，电磁感应强度可以在磁场强度的基础上再乘以一个代表介质属性的系数来表示。这个代表介质属性的系数人们把它称为导磁率。在电磁场理论中，磁场强度H的定义为：在真空中垂直于磁场方向的通电直导线，受到的磁场的作用力F跟电流I和导线长度 的乘积I 的比值，称为通电直导线所在处的磁场强度。或：在真空中垂直于磁场方向的1米长的导线，通过1安培的电流，受到磁场的作用力为1牛顿时，通过导线所在处的磁场强度就是1奥斯特(Oersted)。电磁感应强度一般也称为磁感应强度。由于在真空中磁感应强度与磁场强度在数值上完全相等，因此，磁感应强度在真空中的定义与磁场强度在真空中的定义是完全相同的。所不同的是磁场强度H与介质的属性无关，而磁感应强度B却与介质的属性有关。但很多书上都用上面定义磁场强度的方法来定义电磁感应强度，这是很不合理的；因为，电磁感应强度与介质的属性有关，那么，比如在固体介质中，人们就很难用通电直导线的方法来测量通电直导线在磁场中所受的力，既然不能测量，就不应该假设它所受的力与介质的属性有关。其实介质的导磁率也不是通过作用力来测量的，而是通过电磁感应的方法来测量的。电磁感应强度一般简称为磁感应强度。磁场强度H和磁感应强度B由下面公式表示：磁场强度H = F/I*l （2-1）磁感应强度B = *H （2-2）（2-1）式中磁场强度H的单位为奥斯特（Oe），力F的单位为牛顿（N），电流I的单位为安培（A），导线长度l 的单位为米（m）。（2-2）式中，磁感应强度B的单位为特斯拉（T）， 为导磁率，单位为亨/米（H/m），在真空中的导磁率记为u0 ，u0 = 1。由于特斯拉的单位太大，人们经常使用高斯（Gs）作为磁感应强度B的单位。1特斯拉等于10000高斯（1T=104Gs）。由于磁现象可以形象地用磁力线来表示，故磁感应强度B又可定义为磁力线通量的密度，即：单位面积内的磁力线通量。磁力线通量密度可简称为磁通密度，因此，电磁感应强度又可以表示为：磁通密度B = /S （2-3）（2-3）式中，磁通密度B的单位为特斯拉（T），磁通量 的单位为韦伯（Wb），面积的单位为平方米（m2）。如果磁通密度B用高斯（Gs）为单位，则磁通量的单位为麦克斯韦（Mx），面积的单位为平方厘米（cm2）。其中，1特斯拉等于10000高斯（1T = 104Gs），1韦伯等于10000麦克斯韦（1Wb = 10的4次方Mx）。电磁感应强度除了可以称为磁感应强度、磁通密度外，很多人还把它称为磁感密度。至此，已经说明，电磁感应强度B、磁感应强度B、磁通密度B、磁感应密度B等，在概念上是完全可以通用的。顺便说明，在其它书上有人把磁感应强度B的定义为：B = 0 (H+M)，其中H和M分别是磁化强度和磁场强度，而0是真空导磁率。为了简单，在这本书中我们不准备引入太多的其它概念，如有特别需要，可通过（2-2）式的定义来与其它概念进行转换。磁感应强度与磁场强度的概念一直以来都比较混乱，这是有历史原因的。1900年，国际电学家大会赞同美国电气工程师协会(AIEE)的提案，决定CGSM制磁场强度的单位名称为高斯，这实际上是一场误会。AIEE原来的提案是把高斯作为磁通密度B的单位，由于翻译成法文时误译为磁场强度，造成了混淆。当时的CGSM制和高斯单位制中真空磁导率0是无量纲的纯数1，所以，真空中的B和H没有什么区别，致使一度B和H都用同一个单位高斯。1930年7月，国际电工委员会才在广泛讨论的基础上作出决定：真空磁导率0有量纲，B和H性质不同，B和D对应，H和E对应，在CGSM单位制中以高斯作为B的单位，以奥斯特作为H的单位。直至1960年第十一届国际计量大会决定：将六个基本单位为基础的单位制，即米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉，命名为国际单位制，并以SI(法文Le System International elUnites的缩写)表示，磁感应强度与磁场强度的概念才基本得到统一。由于历史的原因，在电磁单位制中还经常使用两种单位制，一种是SI国际单位制，另一种CGSM（厘米、克、秒）绝对单位制；两个单位的主要区别是，在CGSM单位制中真空导磁率 0=1，在SI单位制中真空导磁率0 = 。因此，只需要在CGSM单位制前面乘以一个系数。，即可把CGSM单位制转换成SI单位制，一般可写成uu0 或uru0 ，看到这个符号即可知道是采用SI单位制；但这里的u或ur一般称为相对导磁率，是一个不带单位的系数，而u0 则要带单位。这里还需要强调指出，用来代表介质属性的导磁率并不是一个常数，而是一个非线性函数，它不但与介质以及磁场强度有关，而且与温度还有关。因此，导磁率所定义的并不是一个简单的系数，而是人们正在利用它来掩盖住人类至今还没有完全揭示的，磁场强度与电磁感应强度之间的内在关系。不过为了简单，当我们对磁场强度与电磁感应强度进行分析的时候，还是可以把导磁率当成一个常数来看待，或者取它的平均值或有效值来进行计算。窗体顶端开关电源原理与设计（连载48）开关变压器的工作原理星期日, 08/02/2009 - 20:43 陶显芳2-1-1开关变压器的工作原理开关变压器一般都是工作于开关状态；当输入电压为直流脉冲电压时，称为单极性脉冲输入，如单激式变压器开关电源；当输入电压为交流脉冲电压时，称为双极性脉冲输入，如双激式变压器开关电源；因此，开关变压器也可以称为脉冲变压器，因为其输入电压是一序列脉冲；不过要真正较量起来的时候，开关变压器与脉冲变压器在工作原理上还是有区别的，因为开关变压器还分正、反激输出，这一点后面还将详细说明。设开关变压器铁芯的截面为S，当幅度为U、宽度为的矩形脉冲电压施加到开关变压器的初级线圈上时，在开关变压器的初级线圈中就有励磁电流流过；同时，在开关变压器的铁芯中就会产生磁场，变压器的铁芯就会被磁化，在磁场强度为H的磁场作用下又会产生磁通密度为B的磁力线通量，简称磁通，用“ ”表示；磁通密度B或磁通受磁场强度H的作用而发生变化的过程，称为磁化过程。所谓的励磁电流，就是让变压器铁芯充磁和消磁的电流。根据法拉第电磁感应定理，电感线圈中的磁场或磁通密度发生变化时，将在线圈中产生感应电动势；线圈中感应电动势为：U=Nd/dt=NS*dB/dt （2-4）式中，N为开关变压器的初级线圈的匝数； 为变压器铁芯的磁通量；B为变压器铁芯的磁感应强度或磁通密度平均值。这里引进磁通密度平均值的概念，是因为变压器铁芯中的磁通并不是均匀分布，磁通密度与铁芯或铁芯截面上的磁通实际分布有关。因此，在分析诸如变压器的某些宏观特性的时候，有时需要使用平均值的概念，以便处理问题简单。从（2-4）式可知，磁通密度的变化以等速变化进行，即：dB/dt=U/NS （2-5）假定磁通密度的初始值为B(0) = Bo（取t = 0），当t 0时，磁通密度以线性规律增长，磁通密度以线性规律增长，即：B=B0+U*t/NS （2-6）当t = 时，即时间达到脉冲的后沿时，磁通密度达到最大值Bm = B()。磁通密度增量（磁通密度初始值和最终值之差）B = B()B(0) = BmBo 。当输入电压是一序列单极性矩形脉冲时，根据电磁感应定律，在变压器铁芯中将产生一个磁通密度增量与之对应，即：B=U*/NS （2-7）如果能忽略涡流影响，则磁场强度H的平均值取决于导磁体材料的性质。变压器初级线圈内的磁化电流的增长与H成正比。在特性曲线的直线段内磁场强度H、磁化电流I 和磁通密度B都以线性变化。脉冲电压作用结束后( t )，变压器中的磁化电流将按变压器的输出电路特性，即电路参数确定的规律下降，变压器铁芯内的磁场强度和磁通密度也相减弱，此时变压器线圈内产生反极性电压，即反电动势。变压器的输出电路特性实际上就是第一章中已经详细介绍过的正、反激电压输出电路特性。上面分析虽然都是以单极性脉冲输入为例，但对双极性脉冲输入同样有效；在方法上，只须把双极性脉冲输入看成是两个单极性脉冲分别输入即可。开关电源变压器分单激式开关电源变压器和双激式开关电源变压器，两种开关电源变压器的工作原理和结构并不是完全一样的。单激式开关电源变压器的输入电压是单极性脉冲，并且还分正反激电压输出；而双激式开关电源变压器的输入电压是双极性脉冲，一般是双极性脉冲电压输出。另外，为了防止磁饱和，在单激式开关电源变压器的铁芯中一般都要留气隙；而双激式开关电源变压器的铁芯磁通密度变化范围相对来说比较大，一般不容易出现磁饱和现象，因此，一般都不用留气隙。单激式开关电源变压器还分正激式和反激式两种，对两种开关电源变压器的技术参数要求也不一样；对正激式开关电源变压器的初级电感量要求比较大，而对反激式开关电源变压器初级电感量的要求，其大小却与输出功率有关。双激式开关电源变压器铁芯的磁滞损耗比较大，而单激式开关电源变压器铁芯的磁滞损耗却比较小。这些参数基本上都与变压器铁芯的磁化曲线有关，因此，下面首先对变压器铁芯的磁化过程进行详细分析。窗体底端窗体顶端 开关电源原理与设计（连载49）脉冲序列对单激式开关电源变压器铁芯的磁化part1星期二, 08/04/2009 - 08:31 陶显芳2-1-1-1脉冲序列对单激式开关电源变压器铁芯的磁化为了简单起见，我们把单激式变压器开关电源等效成如图2-1所示电路，其中我们把直流输入电压通过控制开关通、断的作用，看成是一序列直流脉冲电压，即单极性脉冲电压，直接给开关变压器供电。这里我们特别把变压器称为开关变压器，以表示图2-1所示电路与一般电源变压器电路在工作原理方面还有区别的。在一般的电源变压器电路中，当电源变压器两端的输入电压为0时，表示输入端是短路的，因为电源内阻可以看作为0；而在开关变压器电路中，当开关变压器两端的输入电压为0时，表示输入端是开路的，因为电源内阻可以看作为无限大。在图2-1中，当一组序列号为1、2、3、的直流脉冲电压分别加到开关变压器初级线圈a、b两端时，在开关变压器的初级线圈中就会有励磁电流流过，同时，在开关变压器的铁芯中就会产生磁场，在磁场强度为H的磁场作用下又会产生磁通密度为B的磁力线通量，简称磁通，用“ ”表示。在变压器铁芯中，磁通密度B或磁通 受磁场强度H的作用而发生变化的过程，称为磁化过程；因此，用来描述磁通密度B与磁场强度H之间对应变化的关系曲线，人们都把它称为磁化曲线。图2-2是单激式开关变压器铁芯被磁化时，磁通密度B与磁场强度H之间对应变化的关系曲线图。顺便指出，在分析变压器铁芯的磁化过程中，经常使用磁通密度和磁感应强度这两个名称，这两个名称在本质上没区别，互相可以通用，不同场合使用不同名称，只是为了使用方便。如果开关变压器的铁芯在这之前从来没有被任何磁场磁化过，并且开关变压器的伏秒容量足够大，那么，当第一个直流脉冲电压加到变压器初级线圈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，变压器铁芯中的磁感应强度B将会按图2-2中0-1磁化曲线上升；当第一个直流脉冲电压将要结束时，磁场强度达到第一个最大值Hm1，同时磁感应强度将会被磁场强度磁化到第一个最大值Bm1 ；由此产生一个磁感应强度增量B，B = Bm1 0 。磁感应强度增加，表示流过变压器初级线圈中的励磁电流产生的磁场在对变压器铁芯进行充磁。当序列脉冲电压加到开关变压器初级线圈a、b两端时，在变压器铁芯中会产生的磁场，这磁场完全是由流过变压器初级线圈的励磁电流产生的，流过变压器初级线圈的励磁电流为：（2-8）（2-8）式中， i为流过变压器初级线圈的励磁电流，E为加到变压器初级线圈两端的电压，L1为变压器初级线圈的电感量，t为时间， i(0)为初始电流，即t = 0时流过变压器初级线圈的励磁电流。如果脉冲序列的占空系数（占空比）满足磁化电流在后一个脉冲进入前下降为零，即开关电源工作于电流临界连续或不连续状态。当第一个直流脉冲结束以后，由于开关变压器初级线圈开路，虽然流过变压器初级线圈中的励磁电流下降到零，但磁场强度H不会马上下降到零；此时，变压器的初、次级线圈会同时产生反电动势，由于反电动势的作用，在变压器的初、次级线圈回路中都会有电流流过，这种回路电流属于感应电流，或称感生电流。当第一个直流脉冲结束时，如果开关变压器初级线圈不开路，反电动势会对输入电压进行反充电；如果开关变压器初级线圈是开路的，反电动势会对初级线圈中的分布电容进行充放电，从而会在初级线圈内部产生高频振荡。由反电动势产生的感应电流会在变压器铁芯中产生反向磁场，使变压器铁芯退磁，磁场强度H开始由第一最大值Hm1逐步下降到0；但变压器铁芯中的磁通密度B并不是按充磁时的0-1磁化曲线原路返回，跟随磁场强度下降到零，而是按另一条新的磁化曲线1-2返回到2点；即：第一个剩余磁通密度Br1处。因此，人们都习惯地把磁通密度位于2点的值，称为剩余磁通密度，或简称“剩磁”。变压器铁芯有剩磁说明变压器铁芯有记忆特性，这是铁磁材料的基本特性。关于变压器初、次级线圈会同时产生反电动势对变压器铁芯进行退磁的概念，请参考第一章1-5-1单激式变压器开关电源的工作原理部分的内容。开关电源原理与设计（连载50）脉冲序列对单激式开关电源变压器铁芯的磁化part2星期三, 08/05/2009 - 22:06 陶显芳磁场强度H下降到零，但变压器铁芯中的磁通密度不能跟随磁场强度下降到零，而只能下降到某个磁通密度剩余值，这种现象称为变压器铁芯具有磁矫顽力，简称矫顽力，用Hc表示。变压器铁芯具有磁矫顽力，这是铁磁材料或磁性材料最基本的性质。同理，当第二个直流脉冲加到变压器初级线圈a、b两端时，变压器铁芯中的磁通密度B将按图2-2中新的磁化曲线2-3上升，磁通密度被磁场强度磁化到第二个最大值Bm2，使磁通密度产生一个增量B，B = Bm2Br1 。第二个直流脉冲结束以后，流过变压器初级线圈中的励磁电流下降到零，变压器初、次级线圈产生的反电动势，又会使磁通密度按另一条新的退磁化曲线3-4返回到第二个剩余磁通密度Br2处；当然，Br2同样也只是变压器铁芯被退磁时磁通密度变化过程中的又一个临时剩余值。其余依次类推，第3、4个直流脉冲电压同样也会让磁通密度增加一个增量B ，即：B = Bm3Br2 = Bm4Br3 = Bm10 （2-9）（2-9）式中，B为磁通密度增量；只要作用于开关变压器线圈上的脉冲电压的幅度U和脉冲宽度不变，则变压器铁芯片的磁化过程就会在磁通密度增量为常数（B = 常数）的条件下进行。但在直流脉冲的幅度和宽度不变的情况下，磁通密度的增量B不改变，并不意味着磁场强度的增量可以保证不变，这是磁强度度与磁场强度之间的一个重要区别。经过n个直流脉冲电压之后，变压器铁芯中的最大磁通密度Bm和剩余磁通密度Br才能基本稳定在某个数值之上，即：脉冲序列的作用达到稳定状态后，磁化过程将沿原始曲线上某一固定局部磁滞回线n点重复；这时剩余磁通密度为Br n(Br n= Br)，磁通密度变化无论磁场强度增长或降低，其B值基本不变。显然，局部磁滞回线固定于什么位置，对某种材料来说只取决于B值的大小。如果B足够大，则局部磁滞回线的最低点位于最大局部磁滞回线的剩余磁通密度点Br点处。此时Br对应每个输入直流脉冲的起点，Bm对应每个直流脉冲的终点。磁通密度达到最大值Bm后不再继续增加是可以理解的，因为，磁通密度和磁场强度既可以是势能也可以是位能，两者可以互相转换，它们与电容充放电的过程是很相似的。例如：当电源电压对电容充电时，电容两端的电压会上升；当电源断开的时候，电容就会对负载放电，其两端电压就会下降；当电容充电的电荷与放电的电荷完全相等的时候，电容两端电压纹波就会稳定在某个数值之上。用H表示磁场强度增量，它在固定局部磁滞回线上磁通密度增量B相对应，即它们之间可用下面关系式表示：B = f(H) （2-10）（2-10）式称为磁场强度增量H与磁通密度增量B的脉冲静态特性关系。在直流状态条件下，（2-10）式不成立。磁场强度增量H和磁通密度增量B的对应关系还可以用下式表示：=B/H 脉冲变压器 （2-11）（2-11）式中， 称为脉冲静态磁化系数，或脉冲变压器的脉冲导磁率。由于脉冲导磁率的使用范围比较小，对于开关变压器我们同样也可以用平均导磁率a的概念取而待之。即：a=Ba/Ha 开关变压器 （2-12）（2-12）式中， a为开关变压器的平均导磁率； Ba为开关变压器铁芯中的平均磁通密度增量； Ha为开关变压器铁芯中的平均磁场强度增量。脉冲导磁率 与平均导磁率a 的区别在于：一般脉冲变压器输入脉冲电压的幅度以及宽度基本上都是固定的，并且是单极性脉冲，其磁滞回线的面积相对来说很小，因此，铁芯的脉冲导磁率几乎可以看成是一个常数；而开关变压器输入脉冲电压的幅度以及宽度都不是固定的，其磁滞回线的面积相对来说变化比较大，铁芯导磁率的变化范围也很大，特别是双激式开关变压器，因此，只能用平均导磁率a的概念来描述。励磁电流或磁场强度对变压器铁芯进行磁化时也具有类似电容器充、放电的特点：当变压器初级线圈中的励磁电流产生的磁场强度对变压器铁芯进行磁化时，磁通密度就会增加，相当于对电容器充电；当变压器初级线圈中的励磁电流为零时，变压器初、次级线圈会产生反电动势，其感应产生的电流就会产生反向磁场对变压器铁芯进行退磁，使磁通密度下降，与充电电容器对负载放电的情况很类似。当变压器铁芯被磁化时产生的磁通密度增量与变压器铁芯被退磁时产生的磁通密度增量（负值）完全相等的时候，变压器铁芯中的最大磁通密度Bm和剩余磁通密度Br就会分别稳定在某个数值之上。此时，我们可称，变压器铁芯磁化过程已经进入了基本稳定状态，即：每输入一个直流脉冲电压，变压器铁芯中的磁通密度都会产生一个磁通密度增量B，B = BmBr ，当直流脉冲结束以后，磁通密度又从最大值Bm回到剩余磁通密度Br的位置。这样，我们把磁化曲线所对应的Br值称为剩磁（或剩余磁通密度），而磁化曲线所对应的Bm值称为磁通密度的最大值。不过，变压器铁芯磁化曲线中最大磁通密度Bm以及剩余磁通密度Br的值不是一成不变的，它们会随着输入脉冲电压的幅度以及脉冲宽度的改变而改变；只有在输入脉冲电压的幅度以及脉冲宽度基本保持不变的情况下，变压器铁芯磁化曲线中的最大磁通密度Bm以及剩余磁通密度Br的值才会基本保持不变。至于要经过多少个直流脉冲电压之后，开关变压器铁芯中的磁通密度才达到最大值Bm，这个与直流脉冲电压的幅度有关，而且与直流脉冲电压的脉冲宽度还有关，即与开关变压器的伏秒容量大小有关。开关变压器的伏秒容量越大，对应每个直流脉冲产生的磁通密度增量B数值就越小，因此，需要直流脉冲的个数就越多；反之，变压器的伏秒容量越小，需要直流脉冲的个数也越少。当变压器的伏秒容量很小时，可能只需要一个直流脉冲，就可以使磁通密度达到最大值Bm ，甚至会使变压器铁芯出现磁饱和。变压器的伏秒容量对磁化曲线的影响非常大，变压器的伏秒容量越大，对应每个直流脉冲电压产生的磁通密度增量B相对也越小，磁通密度的最大值Bm也越小；同样一种变压器铁芯材料，选取不同的变压器的伏秒容量，对应的Bm值和Br值也是不一样的。因此，变压器的伏秒容量对于变压器设计是一个非常重要的参数。如果变压器的伏秒容量取得比较小，而加到变压器初级线圈a、b两端的直流脉冲电压幅度又比较高，且脉冲宽度也比较宽，则流过变压器初级线圈的励磁电流将很大；此时，变压器铁芯中的磁通密度将很容易出现饱和。当变压器铁芯中的磁通密度出现饱和的时候，磁通密度B或磁通将不会随着磁场强度或励磁电流的增加而增加，此时的最大磁通密度一般称为饱和磁通密度，用Bs表示，对应的磁通密度增量用Bs表示。这里还需补充说明：变压器铁芯充磁和退磁的过程虽然与电容器充放电的过程很相似，但还是有很大区