单端正激式激励变压器的分析
单端正激式激励变压器的分析
designofsingle－endedpositiveexcitertransformer
1引言
在开关电源中，激励电路十分重要，特别是采用mosfet为主开关管时更为重要，激励电路有时采用单端正激式电路来激励主开关管，如图1所示，电路中应用了激励变压器，实现电压脉冲变换和隔离。该激励变压器设计与一般脉冲变压器类同，但是，由于开关电源的频率较高，脉冲间隙时间很短，占空比通常会达到50％，而且，要求在下一个脉冲到来之前变压器磁状态必须复位，为了实现在脉冲间隔时间内达到磁复位，变压器的纯磁化电感不能大，并采用了回授绕组np2和箝位二极管d1，有效地限制了反冲幅值，保护场效应管v1不致被反冲电压击穿，在保证v1不被损坏的前提下才有可能改变磁化电感和r1值来实现变压器的磁复位。
2反冲特性和磁复位的分析
反冲特性和磁复位是变压器磁心中贮存的磁场能量和等效电容中贮存的电场能量泄放的瞬变过程。
在脉冲开始下降瞬间，脉冲源与负载相继断开，此时贮存在励磁电感和电容中的能量开始泄放，电容c经r1′l△放电，当电容器上贮存的电能全部放完时，则电压脉冲降到零，放完电所需的时间就是所谓的后沿时间。电路中由于电感的存在，电流并不因此停止，电容被反充电，形成所谓的反冲电压；电路分析表明，这种瞬变过程的特性完全取决于并联回路的参量，一般会出现三种状态：即欠阻尼振荡，临界阻尼振荡和过阻尼振荡。
三种振荡形式的归一化方程为：
临界阻尼振荡k1=1u1′(t)/u0=[1－(1＋2△)2πx1]
过阻尼振荡k1>1 式中：k1=/2r1′为阻尼因子
△=r1′τp/l△为反冲因子
x1=tb/t1为相对时间常数
tb为磁复位时间 t1=在u1′（t）电压方程的基础上，可以导出变压器磁恢复时间的表达式，但电路设计均在过阻尼状态，则可得到如下表达式：tb=l△/r1′ln[10(△＋r1′2c/l△)]
3变压器设计要点
（1）在图1电路中，脉冲源和负载均为场效应管，其输入电容较大，通常采用减小l△来加速磁复位，但减小电感容易引起欠阻尼振荡，严重时会导致v2场效应管二次导通或截止不充分，因此必须控制初级电感值，保证变压器能达到磁复位和不出现欠阻尼振
荡，在控制电感值还不能达到满意结果时，可以调整次级并联电阻r1；当r1减小时，振荡会消失，但恢复时间会延长，所以电路和变压器两者之间应具有调整范围，以保证在不出现振荡的前提下变压器磁状态也得到复位，最佳状态应当是临界状态，但电路很难设计在临界状态工作。
（2）在设计单端正激式激励变压器时铁心选择也十分重要，一般要求铁心具有较高的磁通密度增量
△b值，较小的铁心损耗和较低的脉冲磁导率μp值；能用于激励变压器的铁心材料有铁氧体，铁基非晶，1j6721，1j34kh等，频率较高时可以选用铁氧体罐形磁心，频率较低时可以选用铁基非晶，1j6721，1j34kh等铁心。
（3）回授绕组的设计主要是取决于v1的耐压，但回授绕组的匝数应满足如下关系式：
upτpmax<（np1/np2）up(t－τpmax)
回授绕组的电流与磁化电流基本相等，一般只有初级电流的50％，有的与初级电流相近，主要取决于工作的磁通密度△b值和初级电感值。
（4）在设计较高电压的开关电源时，一般ec2较高，为了提高低压激励电路的可靠性，激励变压器初次级加屏蔽，并接地，将有效地保证低压激励电路不致被损坏。
以上几点是设计单端正激式激励变压器的要点。在设计时应考虑高频集肤效应对导线电阻的影响，以及防止变压器瞬间饱和，减小漏感等问题；这些问题的计算和分析可参考一般脉冲变压器设计。
4设计实例
（1）指标要求:ec1=15v，r1=51ω,il=1a，c=4500μf,np1/ns=2,f=46～100khz,初次级隔离电位：脉冲560v、dc280v,占空比为34％。
（2）设计结果：磁心采用gu18×11,np1=np2=16匝,ns=8匝,l△=0.45mh,tb=8.27μsnp1/ns=np2/ns=2;在电路中工作正常。
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2反冲特性和磁复位的分析
反冲特性和磁复位是变压器磁心中贮存的磁场能量和等效电容中贮存的电场能量泄放的瞬变过程。
在脉冲开始下降瞬间，脉冲源与负载相继断开，此时贮存在励磁电感和电容中的能量开始泄放，电容c经r1′l△放电，当电容器上贮存的电能全部放完时，则电压脉冲降到零，放完电所需的时间就是所谓的后沿时间。电路中由于电感的存在，电流并不因此停止，电容被反充电，形成所谓的反冲电压；电路分析表明，这种瞬变过程的特性完全取决于并联回路的参量，一般会出现三种状态：即欠阻尼振荡，临界阻尼振荡和过阻尼振荡。
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临界阻尼振荡k1=1u1′(t)/u0=[1－(1＋2△)2πx1]
过阻尼振荡k1>1 式中：k1=/2r1′为阻尼因子
△=r1′τp/l△为反冲因子
x1=tb/t1为相对时间常数
tb为磁复位时间 t1=在u1′（t）电压方程的基础上，可以导出变压器磁恢复时间的表达式，但电路设计均在过阻尼状态，则可得到如下表达式：tb=l△/r1′ln[10(△＋r1′2c/l△)]
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（1）在图1电路中，脉冲源和负载均为场效应管，其输入电容较大，通常采用减小l△来加速磁复位，但减小电感容易引起欠阻尼振荡，严重时会导致v2场效应管二次导通或截止不充分，因此必须控制初级电感值，保证变压器能达到磁复位和不出现欠阻尼振
荡，在控制电感值还不能达到满意结果时，可以调整次级并联电阻r1；当r1减小时，振荡会消失，但恢复时间会延长，所以电路和变压器两者之间应具有调整范围，以保证在不出现振荡的前提下变压器磁状态也得到复位，最佳状态应当是临界状态，但电路很难设计在临界状态工作。
（2）在设计单端正激式激励变压器时铁心选择也十分重要，一般要求铁心具有较高的磁通密度增量
△b值，较小的铁心损耗和较低的脉冲磁导率μp值；能用于激励变压器的铁心材料有铁氧体，铁基非晶，1j6721，1j34kh等，频率较高时可以选用铁氧体罐形磁心，频率较低时可以选用铁基非晶，1j6721，1j34kh等铁心。
（3）回授绕组的设计主要是取决于v1的耐压，但回授绕组的匝数应满足如下关系式：
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