正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負載特性，相對來說比較好，因此，工作比較穩(wěn)定，輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動，在一些對輸出電壓參數(shù)要求比較高的場合，經(jīng)常使用。

1-6-1．正激式變壓器開關(guān)電源工作原理

所謂正激式變壓器開關(guān)電源，是指當變壓器的初級線圈正在被直流脈沖電壓激勵時，變壓器的次級線圈正好有功率輸出。
圖1-17是正激式變壓器開關(guān)電源的簡單工作原理圖，圖中，Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是開關(guān)變壓器，N1、N2、N3分別為開關(guān)變壓器的3個線圈繞組，e1、e2、e3分別為3個線圈繞組產(chǎn)生的感應電動勢，K是控制開關(guān)，D1是整流二極管，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰整流二極管，L是儲能濾波電感，C是儲能濾波電容，R是負載電阻；uo為整流輸出電壓，或濾波輸入電壓、eL為儲能濾波電感產(chǎn)生的感應電動勢、iL為流過儲能濾波電感L的電流、Uo為濾波輸出電壓、Io為流過負載的電流。

在圖1-17中，需要特別注意的是開關(guān)變壓器初、次級線圈的同名端。如果把開關(guān)變壓器初線圈或次級線圈的同名端弄反，圖1-17就不再是正激式變壓器開關(guān)電源了。

我們從（1-77）和（1-78）兩式可知，改變控制開關(guān)K的占空比D，只能改變輸出脈沖電壓（圖1-16-b中正半波）的平均值Ua，而輸出脈沖電壓的幅值Up不變。因此，正激式變壓器開關(guān)電源用于穩(wěn)壓電源，只能采用改變正激變壓器次級線圈輸出脈沖電壓的平均值的方式，然后再經(jīng)濾波輸出直流電壓。

圖1-17中，儲能濾波電感L和儲能濾波電容C，以及續(xù)流二極管D2，是正激脈沖電壓平均值輸出的濾波電路，其工作原理與圖1-2的串聯(lián)式開關(guān)電源電壓濾波輸出電路完全相同。關(guān)于脈沖電壓平均值輸出濾波電路的詳細工作原理，請參看“1-2．串聯(lián)式開關(guān)電源”部分中的“串聯(lián)式開關(guān)電源電壓濾波輸出電路”內(nèi)容，這里不再贅述。

正激式變壓器開關(guān)電源有一個最大的缺點，就是在控制開關(guān)K由接通突然轉(zhuǎn)到關(guān)斷的瞬間，開關(guān)變壓器的初、次線圈繞組均會產(chǎn)生很高的反電動勢，這個反電動勢是由流過變壓器初線圈繞組N1的勵磁電流存儲的磁能量產(chǎn)生的。因此，在圖1-17中，為了防止在控制開關(guān)K關(guān)斷瞬間產(chǎn)生反電動勢擊穿開關(guān)器件，一般都要在開關(guān)變壓器中增加一個反電動勢（反激電壓）能量吸收反饋線圈N3繞組，并通過一個削反峰整流二極管D3，把反電動勢的能量反饋給回輸入電源；與此同時，這個反饋線圈N3繞組還起到對開關(guān)變壓器鐵芯的退磁作用。

反饋線圈N3繞組和削反峰整流二極管D3對于正激式變壓器開關(guān)電源是十分必要的，一方面，反饋線圈N3繞組產(chǎn)生的感應電動勢（反激電壓）通過整流二極管D3會在N3繞組中產(chǎn)生電流返饋給回輸入電源，對電源進行充電，以提高開關(guān)電源的工作效率；與此同時，整流二極管D3還起到對變壓器初級線圈N1產(chǎn)生的反電動勢進行限幅的作用，防止開關(guān)變壓器初級繞組產(chǎn)生的高壓反電動勢把開關(guān)器件擊穿；另一方面，由于流過反饋線圈N3繞組中的電流i3的方向與原流過線圈N1的勵磁電流的方向相反，其作用可使變壓器的鐵芯退磁，使變壓器鐵芯中的剩磁Br值降低，防止變壓器產(chǎn)生磁飽和。

圖1-18是圖1-17中正激式變壓器開關(guān)電源中幾個關(guān)鍵點的電壓、電流波形圖。

圖1-18-a）是變壓器初、次級線圈N1、N2輸出電壓的波形。實線部分是正激輸出電壓脈沖的波形，虛線部分是反擊輸出電壓脈沖的波形。

圖1-18-b）是變壓器次級線圈N3輸出的反激電壓波形，虛線部分是反擊電壓脈沖波形。
[page]

圖1-18-c）是流過變壓器初級線圈N1和次級線圈N3的電流波形，其中，實線部分是流過變壓器初級線圈N1的電流波形，虛線部分是流過變壓器次級線圈N3的電流波形。

圖1-17中，在控制開關(guān)K接通的Ton期間，輸入電源Ui對變壓器初級線圈N1加電，初級線圈N1有電流i1流過，在N1兩端產(chǎn)生自感電動勢e1的同時，在變壓器次級線圈N2的兩端也同時產(chǎn)生感應電動勢e2，并向負載提供輸出功率。開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓大小由（1-64）、（1-77）、（1-78）等式給出，電壓輸出波形如圖1-18-a）。

圖2-18-c）是流過變壓器初級線圈N1的電流i1的波形。與流過電感線圈中的電流完全不同，流過正激式開關(guān)變壓器初級線圈N1的電流i1是會產(chǎn)生突變的，當控制開關(guān)K由關(guān)斷突然轉(zhuǎn)到接通的瞬間，流過正激式開關(guān)變壓器初級線圈N1的電流i1立刻就會達到某個值，如圖1-18-c）中的i10。如果我們把在控制開關(guān)K接通瞬間之前流過正激式開關(guān)變壓器次級線圈N2的電流記為i2，則它們之間的關(guān)系是：i10 = (N2/N1)i2 ，其中N2/N1為變壓器的次級線圈N2與初級線圈N1之比。這個i10就是流過變壓器次級線圈N2的電流i2被折算到變壓器初級線圈N1中的電流。

在流過正激式開關(guān)變壓器初級線圈N1的電流i1中，除了i10之外還有一個勵磁電流?i1。所謂勵磁電流，就是令變壓器鐵芯產(chǎn)生磁通量 的電流。在變壓器鐵芯中，磁通量 的變化，只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流?i1有關(guān)，而與流過變壓器次級線圈中的電流無關(guān)。即：在控制開關(guān)K接通期間，流過變壓器次級線圈N2中的電流i2產(chǎn)生的磁通，完全被流過變壓器初級線圈N1中的另一部分電流i10產(chǎn)生的磁通抵消。從圖1-18-c）中可以看出，?i1就是i1中隨著時間線性增長的部分（假設i2不變）。變壓器初級線圈N1中的勵磁電流?i1由下式給出：

當控制開關(guān)K由接通突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷瞬間，由于流過變壓器初級線圈N1的電流i1突然由最大值變?yōu)?，這必然會引起變壓器鐵芯中的磁通量 產(chǎn)生突變，使變壓器的初、次級線圈產(chǎn)生非常高的反電動勢；如果不對這個反高壓電動勢進行抑制，勢必會使控制開關(guān)（開關(guān)器件）或開關(guān)變壓器擊穿，這是正激式開關(guān)電源必須考慮的地方。在圖1-17電路中，開關(guān)變壓器的線圈N3和整流二極管D3的作用，就是專門為抑制開關(guān)變壓器，因流過N1線圈繞組的電流i1突然由最大值變?yōu)?時，各個線圈繞組產(chǎn)生的高壓反電動勢而設置的。

當流過變壓器初級線圈N1的電流i1突然由最大值降為0時，在N3線圈兩端就會產(chǎn)生反電動勢e3，并使整流二極管D3導通，反電動勢e3的幅度就會被鉗制在Ui的幅度上，同時，在N3線圈繞組中產(chǎn)生的電流i3又會在變壓器鐵芯中產(chǎn)生新的磁通，此磁通的方向與電流i1在變壓器鐵芯中產(chǎn)生的磁通方向正好相反，兩者可以互相抵消，使開關(guān)變壓器各個線圈繞組產(chǎn)生的反電動勢電壓降低。因此，圖1-17電路中的整流二極管D3也叫限幅二極管。

所謂限幅，就是把各線圈產(chǎn)生的反電動勢電壓限制在一定的范圍之內(nèi)，當N3線圈繞組產(chǎn)生的反電動勢電壓高于電源輸入電壓Ui時，整流二極管D3會突然導通。D3導通后，一方面，可抑制高壓反電動勢在初、次級線圈回路中產(chǎn)生，另一方面，可把變壓器在控制開關(guān)K關(guān)斷期間產(chǎn)生的反激能量反饋給回輸入電源，并通過電流i3對變壓器鐵芯進行退磁。下面我們來詳細分析電流i3對變壓器鐵芯進行退磁的過程。
[page]

假設正激式開關(guān)變壓器的初級線圈N1的匝數(shù)與次級線圈N3的匝數(shù)完全相等，即：初、次級線圈匝數(shù)比為：1 : 1 ；當D = 0.5時，流過開關(guān)變壓器初級線圈N1勵磁電流?i1的平均值與流過次級線圈N3中電流i3的平均值相等，但它們的變化過程在時間上并不同步；勵磁電流?i1在Ton期間是按線性規(guī)律增加，而i3在Toff期間是按線性規(guī)律下降。參考下面（1-83）式和（1-84）式，波形如圖1-18-c）所示，線性增長部分為?i1（實線表示），線性下降部分為i3（虛線表示）。

當控制開關(guān)K關(guān)閉時，根據(jù)（1-81）式可求得：

（1-83）式中右邊的第一項就是流過變壓器初級線圈N1繞組中的最大勵磁電流被折算到次級線圈N3繞組中的電流（最大值），第二項是i3中隨著時間變化的分量。其中n為變壓器次級線圈N3與初級線圈N1的變壓比，或匝數(shù)比。

當N1等于N3時，即：L1等于L3時，上式可以變?yōu)椋?/p>

（1-84）式表明，當變壓器初級線圈N1繞組的匝數(shù)與次級線圈N3繞組的匝數(shù)相等時：

如果占空比D小于0.5，當t≥Ton時，i3將為負值，但由于D3的作用，這是不可能的，這只能說明電流i3是不連續(xù)電流，表示退磁過程過早結(jié)束；

如果占空比D等于0.5，當t=Ton時，i3等于0，表示電流i3為臨界連續(xù)，說明退磁過程結(jié)束時間剛剛好，圖1-18-b）和圖1-18-c）就表示這種情況；

如果占空比D大于0.5，當t≤Ton時，i3≥0，表示電流i3為連續(xù)電流，說明開關(guān)K將要接通時，退磁過程沒有結(jié)束，還在進行中。

根據(jù)（1-79）式，當N3的匝數(shù)大于N1的匝數(shù)時，變壓器次級線圈N3產(chǎn)生的反電動勢將會升高，假設D=0.5，此時N3產(chǎn)生的反激電壓u3的半波平均值Upa-3將高于輸入電壓Ui，二極管D3不但會對u3高于輸入電壓Ui的部分進行限幅，并且U3pa-高于輸入電壓Ui的部分也要被限幅，以及N1線圈產(chǎn)生的反激電壓u1，其高于其半波平均值U1pa-電壓的部分也要被限幅，因為，U1pa-與U3pa-也要按照匝數(shù)比的關(guān)系達成平衡。

根據(jù)（1-83）式，當N3的匝數(shù)大于N1的匝數(shù)時，i3的最大值將要減小（N3/N1）倍；與此同時，i3下降的速率（di/dt）將變小了， i3過0的時間將被延長。

這說明，N3匝數(shù)的增加，最大安匝數(shù)并沒有增加（退磁作用與安匝數(shù)成正比），只是N3對變壓器鐵芯退磁的作用時間有所延長。

因此，為了使開關(guān)變壓器的鐵芯的退磁效果更充分（退磁效果越好，變壓器的伏秒容量就越大），當占空比增大時（相當對變壓器的磁化時間增長），同時也要增大N3與N1的匝數(shù)比，以使i3的退磁時間延長，這是合理的。
[page]

從理論上來說，無論N3的匝數(shù)取得多大，其產(chǎn)生的作用都不可能把變壓器鐵芯中，原來由N1線圈中勵磁電流產(chǎn)生的磁感應強度退回到其開始磁化時的初始值，因為，在N3線圈回路中產(chǎn)生反電動勢的能量，本身就是來自N1線圈中勵磁電流在變壓器鐵芯中存儲的能量，而N3線圈回路對變壓器鐵心退磁時所提供的能量，應永遠小于N1線圈中勵磁電流在變壓器鐵芯中存儲的能量。我們能做到的，只能盡量讓N3線圈的退磁作用更有效一些。

N3繞組匝數(shù)的選取與占空比D的選取有關(guān)。在實際應用中，N3繞組匝數(shù)的選取，應當滿足，當占空比D為最大值時，N3輸出的反激脈沖電壓的半波平均值要大于或者等于輸入電源電壓Ui。例如，當最大占空比D約等于0.5時，N3繞組的匝數(shù)與變壓器初級線圈N1繞組的匝數(shù)之比，應略大于1或等于1，這樣才能保證，當占空比D小于0.5時，N3繞組反擊輸出電壓的半波平均值大于輸入電壓Ui ；此時，N3繞組不但可以使變壓器有效退磁，并且通過限幅二極管D3的限幅作用，可以對高壓反電動勢進行有效抑制，防止反電動勢高壓把開關(guān)器件和開關(guān)變壓器擊穿。

根據(jù)圖1-17，加到開關(guān)器件（控制開關(guān)）兩端的峰值電壓UKP正好等于輸入電壓Ui與反電動勢峰值Up-之和，即：

式中，UKP為加到開關(guān)器件兩端的峰值電壓，Ui為輸入電壓，Up-為變壓器初級線圈N1產(chǎn)生的反電動勢e1的峰值。如果不采取措施，Up-的值一般都是非常高的，如果采用N3線圈及D3組成的反電動勢限幅電路來對Up-進行限幅，經(jīng)限幅后，Up-最多也只能降低到e1的半波平均值U1pa-。

當控制開關(guān)的占空比為0.5時，變壓器初級線圈N1產(chǎn)生反電動勢e1的半波平均值Upa-正好等于Ui。因此，在選用開關(guān)器件的時候，要求其耐壓必須大于輸入電壓的兩倍。即：

這個電壓對于電源開關(guān)管來說是很高的，例如，對于輸入電壓為交流220伏電源，經(jīng)整流濾波后其直流電壓的最大值為311伏，根據(jù)（1-90）式可求得UKP = 622伏；如果輸入電壓為交流253伏（±15%），那么，可以求得UKP = 715伏。這個電壓還不包括變壓器初級線圈N1漏感產(chǎn)生的反電動勢e01，因為，如圖1-17中的變壓器反饋線圈N3繞組和整流二極管D3組成的尖峰吸收電路，是不能對N1線圈的漏感產(chǎn)生的反電動勢e01進行吸收的，為了吸收變壓器初級線圈N1繞組漏感產(chǎn)生的反電動勢e01，在變壓器初級線圈回路中還要專門設置一個由整流二極管和電阻、電容組成的反電動勢吸收電路（簡稱RCD電路），這一方面內(nèi)容后面還要更詳細介紹。

一般電源開關(guān)管的耐壓都在650伏左右，因此，正激式變壓器開關(guān)電源在輸入電壓為交流220伏的設備中很少使用，或者必須采用兩個電源開關(guān)管串聯(lián)來使用。但由于正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說，要比反激式變壓器開關(guān)電源好很多，因此，目前在一些對瞬態(tài)控制特性要求比較高的場合，正激式變壓器開關(guān)電源還會有一定的應用市場。
[page]

1-6-2．正激式變壓器開關(guān)電源的優(yōu)缺點

為了表征各種電壓或電流波形的好壞，一般都是拿電壓或電流的幅值、平均值、有效值、一次諧波等參量互相進行比較。在開關(guān)電源之中，電壓或電流的幅值和平均值最直觀，因此，我們用電壓或電流的幅值與其平均值之比，稱為脈動系數(shù)S；也有人用電壓或電流的有效值與其平均值之比，稱為波形系數(shù)K。

因此，電壓和電流的脈動系數(shù)Sv、Si以及波形系數(shù)Kv、Ki分別表示為：

上面4式中，Sv、Si、Kv、Ki分別表示：電壓和電流的脈動系數(shù)S，和電壓和電流的波形系數(shù)K，在一般可以分清楚的情況下一般都只寫字母大寫S或K。脈動系數(shù)S和波形系數(shù)K都是表征電壓或者電流好壞的指標，S和K的值，顯然是越小越好。S和K的值越小，表示輸出電壓和電流越穩(wěn)定，電壓和電流的紋波也越小。當S和K均等于1時，表示電壓和電流均為直流。

正激式變壓器開關(guān)電源正好是在變壓器的初級線圈被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈向負載提供功率輸出，并且輸出電壓的幅度是基本穩(wěn)定的，此時盡管輸出功率不停地變化，但輸出電壓的幅度還是基本不變，這說明正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說比較好；只有在控制開關(guān)處于關(guān)斷期間，功率輸出才全部由儲能電感和儲能電容兩者同時提供，此時輸出電壓雖然受負載電流的影響，但如果儲能電容的容量取得比較大，負載電流對輸出電壓的影響也很小。

另外，由于正激式變壓器開關(guān)電源一般都是選取變壓器輸出電壓的正向平均值，儲能電感在控制開關(guān)接通和關(guān)斷期間都向負載提供電流輸出，因此，正激式變壓器開關(guān)電源的負載能力相對來說比較強，輸出電壓的紋波比較小。如果要求正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓有較大的調(diào)整率，在正常負載的情況下，控制開關(guān)的占空比最好選取在0.5左右，此時流過儲能濾波電感的電流大體上為連續(xù)電流。當流過儲能濾波電感的電流為連續(xù)電流時，其負載能力相對來說比較強。

當控制開關(guān)的占空比為0.5時，正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓uo的幅值正好等于電壓平均值Ua的兩倍，流過濾波儲能電感電流的最大值Im也正好是平均電流Io（輸出電流）的兩倍，因此，正激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流的脈動系數(shù)S都約等于2，而與反激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流的脈動系數(shù)S相比，差不多小一倍，說明正激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流輸出特性要比反激式變壓器開關(guān)電源好很多。

正激式變壓器開關(guān)電源的缺點也是非常明顯的。其中一個，是電路比反激式變壓器開關(guān)電源多用一個大儲能濾波電感，以及一個續(xù)流二極管；其次，是正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器比反激式變壓器開關(guān)電源多一個變壓器反饋線圈繞組，因此，正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積要比反激式變壓器開關(guān)電源的變壓器體積大；還有，正激式開關(guān)電源比反激式開關(guān)電源還多一個反饋電壓整流二極管。這些器件，都是要損耗功率的，因此，正激式開關(guān)電源的工作效率相對比反激式開關(guān)電源的工作效率低。

另外，正激式變壓器開關(guān)電源在控制開關(guān)K關(guān)斷時，變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢電壓要比反激式變壓器開關(guān)電源產(chǎn)生的反電動勢電壓高，因為正激式變壓器開關(guān)電源控制開關(guān)的占空比可調(diào)范圍要比反激式變壓器開關(guān)電源占空比的可調(diào)范圍取得寬，一般都取在0.5左右，其目的是為了提高輸出電壓的控制能力，而反激式變壓器開關(guān)電源控制開關(guān)的占空比相對取得比較小；因此，正激式變壓器開關(guān)電源對電源開關(guān)管的耐壓要求比反激式變壓器開關(guān)電源對電源開關(guān)管的耐壓要求高很多。

此外，正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓受占空比的調(diào)整幅度（或調(diào)整率），相對于反激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓受占空比的調(diào)整幅度（或調(diào)整率）來說，要低很多。這個可從（1-78）和（1-79）式的對比就很明顯可以看出來，前者的調(diào)整幅度是與D成正比，后者是與D/(1－D)成正比。因此，正激式變壓器開關(guān)電源要求調(diào)控占空比的誤差信號幅度要比反激式變壓器開關(guān)電源高很多，即，要求誤差信號放大器的增益和動態(tài)范圍比較大。

正激式開關(guān)變壓器的伏秒容量一般都取得比較大（伏秒容量VT等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積），目的是為了減小開關(guān)變壓器初級線圈的勵磁電流，以提高工作效率。

未完待續(xù)，下次為大家介紹：正激式變壓器開關(guān)電源電路參數(shù)的計算......

相關(guān)閱讀：

陶老師談：單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理
http://m.gdnengbo.cn/power-art/80022120
陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設計
http://m.gdnengbo.cn/power-art/80021940
專題：陶顯芳老師30年經(jīng)驗大分享，開關(guān)電源設計那些事兒
http://m.gdnengbo.cn/special/181