开关电源中变压器所带来的波形失真有哪几点?

  功率变压器是开关电源中非常重要的部件,它和普通电源变压器一样也是通过磁耦合来传输能量的。在这种功率变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器中的硅钢片,而是在高频情况下工作的磁导率较高的铁氧体磁心或铍莫合金等磁性材料,其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗,使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量。开关电源中变压器所带来的波形失真有哪几点? 
    (a)输入波形(b)输出波形 
    (1)上升沿和下降沿变得倾斜,即存在上升时间和下降时间; 
    (2)上升过程的末了时刻,有上冲,甚至出现振荡现象; 
    (3)下降过程的末了时刻,有下冲,也可能出现振荡波形; 
    (4)平顶部分是逐渐降落的。 
    这些失真反映了实际脉冲变压器和理想变压器的差别,考虑到各种因素对波形的影响。 
    在脉冲作用的各段时间内,每个元件并不都是同时起主要作用,任何一个脉冲波形可以分解成基波与许多谐波的叠加。脉冲的上升沿和下降沿包含着各种高频分量,而脉冲的平顶部分包含着各种低频分量。因此在上升、下降和平顶过程中,各元件表现出来的阻抗也不一样。 
    上升阶段 
    对于通常的正脉冲而言,上升阶段即脉冲前沿,信号中包含丰富的高频成分,当高频分量通过脉冲变压器时,容抗1/ωC很小,而感抗ωLm1很大,相比起来,可将Lm1的作用忽略,而在串联的支路中,Li的作用即较为显著。 
   在这个电路中,频率越高,ωLi越大,而1/ωC越小,因而高频信号大多降在Li上,输出的高频分量就减少了,可见输入信号Usm前沿中所包含的高频分量就不能完全传输到输出端,频率越高的成分到达输出端越小,结果在输出端得到的波形前沿就和输入波形不同,即产生了失真。 
    要想减小这种波形失真,就要尽量减小分布电容(应减小变压器一次绕组的匝数)。但又要得到一定的绕组电感量,所以需要用高磁导率的磁心。在绕制上也可以采取一些措施来减小分布电容,例如用分段绕法;为了减小漏感,可采用一、二次绕组交叠绕法等。 
    平顶阶段 
    脉冲的平顶包含着各种低频分量。在低频情况下,并联在输出端的3个元件中,电容的容抗1/ωC很大,因此电容C可以忽略。同时在串联支路中,感抗ωLi很小,也可以略去。信号源也可以等效成电动势为Usm的直流电源。可用下述公式表达: 
    U′o=(UsmRL′)e-T/τ/(Rs+RL′) 
    τ=Lm1(Rs+RL′)RsRL′ 
    可见U′o为一下降的指数波形,其下降速度决定于时间常数τ,τ越大,下降越慢,即波形失真越小。为此,应尽量加大Lm1,而减小Rs和RL′,但这是有限的。如果Lm1太大,必然使绕组的匝数很多,这将导致绕组分布电容加大,致使脉冲上升沿变坏。 
    下降阶段 
    下降阶段的信号源相当于直流电源Usm串联的开关由闭合到断开的阶段,它与上升阶段虽然是相对的过程,但有两个不同;一是电感Lm1中有励磁电流,并开始释放,因此Lm1不能略去;二是开关断开后,Rs便不起作用。 
    在脉冲变压器平顶阶段以后,Lm1中存储了比较大的磁能,因此在开关断开后,会出现剧烈的振荡,并产生很大的下冲。为了消除下冲往往采用阻尼措施。

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