開關電源教程(23)：開關變壓器/脈沖變壓器工作原理

2-1-1．開關變壓器的工作原理

開關變壓器一般都是工作于開關狀態；當輸入電壓為直流脈沖電壓時，稱為單極性脈沖輸入，如單激式變壓器開關電源；當輸入電壓為交流脈沖電壓時，稱為雙極性脈沖輸入，如雙激式變壓器開關電源；因此，開關變壓器也可以稱為脈沖變壓器，因為其輸入電壓是一序列脈沖；不過要真正較量起來的時候，開關變壓器與脈沖變壓器在工作原理上還是有區別的，因為開關變壓器還分正、反激輸出，這一點后面還將詳細說明。

設開關變壓器鐵芯的截面為S，當幅度為U、寬度為τ的矩形脈沖電壓施加到開關變壓器的初級線圈上時，在開關變壓器的初級線圈中就有勵磁電流流過；同時，在開關變壓器的鐵芯中就會產生磁場，變壓器的鐵芯就會被磁化，在磁場強度為H的磁場作用下又會產生磁通密度為B的磁力線通量，簡稱磁通，用“Φ ”表示；磁通密度B或磁通Φ受磁場強度H的作用而發生變化的過程，稱為磁化過程。所謂的勵磁電流，就是讓變壓器鐵芯充磁和消磁的電流。

根據法拉第電磁感應定理，電感線圈中的磁場或磁通密度發生變化時，將在線圈中產生感應電動勢；線圈中感應電動勢為：

U=NdΦ/dt=NS*dB/dt （2-4）

式中，N為開關變壓器的初級線圈的匝數； Φ為變壓器鐵芯的磁通量；B為變壓器鐵芯的磁感應強度或磁通密度平均值。

這里引進磁通密度平均值的概念，是因為變壓器鐵芯中的磁通并不是均勻分布，磁通密度與鐵芯或鐵芯截面上的磁通實際分布有關。因此，在分析諸如變壓器的某些宏觀特性的時候，有時需要使用平均值的概念，以便處理問題簡單。

從（2-4）式可知，磁通密度的變化以等速變化進行，即：

dB/dt=U/NS （2-5）

假定磁通密度的初始值為B(0) = Bo（取t = 0），當t > 0時，磁通密度以線性規律增長，磁通密度以線性規律增長，即：

B=B0+U*t/NS （2-6）

當t = τ時，即時間達到脈沖的后沿時，磁通密度達到最大值Bm = B(τ)。磁通密度增量（磁通密度初始值和最終值之差）∆B = B(τ)－B(0) = Bm－Bo 。

當輸入電壓是一序列單極性矩形脈沖時，根據電磁感應定律，在變壓器鐵芯中將產生一個磁通密度增量與之對應，即：

△B=U*τ/NS （2-7）

如果能忽略渦流影響，則磁場強度H的平均值取決于導磁體材料的性質。變壓器初級線圈內的磁化電流 的增長與H成正比。在特性曲線的直線段內磁場強度H、磁化電流Iμ 和磁通密度B都以線性變化。

脈沖電壓作用結束后( t > τ )，變壓器中的磁化電流將按變壓器的輸出電路特性，即電路參數確定的規律下降，變壓器鐵芯內的磁場強度和磁通密度也相減弱，此時變壓器線圈內產生反極性電壓，即反電動勢。變壓器的輸出電路特性實際上就是第一章中已經詳細介紹過的正、反激電壓輸出電路特性。

上面分析雖然都是以單極性脈沖輸入為例，但對雙極性脈沖輸入同樣有效；在方法上，只須把雙極性脈沖輸入看成是兩個單極性脈沖分別輸入即可。

開關電源變壓器分單激式開關電源變壓器和雙激式開關電源變壓器，兩種開關電源變壓器的工作原理和結構并不是完全一樣的。單激式開關電源變壓器的輸入電壓是單極性脈沖，并且還分正反激電壓輸出；而雙激式開關電源變壓器的輸入電壓是雙極性脈沖，一般是雙極性脈沖電壓輸出。

另外，為了防止磁飽和，在單激式開關電源變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙；而雙激式開關電源變壓器的鐵芯磁通密度變化范圍相對來說比較大，一般不容易出現磁飽和現象，因此，一般都不用留氣隙。

單激式開關電源變壓器還分正激式和反激式兩種，對兩種開關電源變壓器的技術參數要求也不一樣；對正激式開關電源變壓器的初級電感量要求比較大，而對反激式開關電源變壓器初級電感量的要求，其大小卻與輸出功率有關。

雙激式開關電源變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大，而單激式開關電源變壓器鐵芯的磁滯損耗卻比較小。這些參數基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關，因此，下面首先對變壓器鐵芯的磁化過程進行詳細分析。