开关电源原理与设计（连载三十五）交流输出半桥式变压器开关电源

上面的(1-162)和(1-163)式并没有完全考虑，开关变压器初级线圈N1绕组产生的反电动势对电容器C1和C2进行反充电所产生的影响。当开关变压器初级线圈N1绕组产生的反电动势对电容器C1和C2进行反充电时，相当于变压器次级线圈N2绕组输出电压uo也要通过变压比被电容器C1、C2存储的电压进行限幅。因此，变压器次级线圈N2绕组输出电压uo中的反激式输出电压[uo]，并不会像(1-162)和(1-163)算式所表达的结果那么高。

显然变压器次级线圈回路产生反电动势的高低还与控制开关K1和K2交替接入的时间差有关，与K1和K2的接入电阻的大小还有关。一般电子开关，如晶体管或场效应管，刚开始导通的时候也不能简单地看成是一个开关，它从截止到导通，或从导通到截止，都需要一个过渡过程，因此，它也会存在一定的开关损耗。

另外，根据(1-75)式：

Upa×Ton = Upa-×Toff —— 一个周期内 (1-75)

还可以知到，当控制开关K1和K2的占空比均等于0.5时，变压器正激输出电压的半波平均值Upa与反激输出的半波平均值Upa-基本相等。因此，只有在控制开关K2接通与控制开关K1断开两者之间存在时间差时，变压器次级线圈回路才会产生非常高的反电动势;但当控制开关K1和K2的占空比均小于0.5时，虽然反电动势的幅度比较高，但由于正激式开关电源的励磁电流一般都非常小(小于10%)，其产生反电动势的能量也很小。即：反电动势脉冲的宽度很窄。

根据上面分析和(1-75)式可知，反电动势(反激输出电压)的半波平均值还是远远小于正激电压的半波平均值。

所以，(1-162)和(1-163)式所表示的结果，可看成是半桥式变压器开关电源在输出电压中含有毛刺(输出噪音)的表达式。

根据上面分析，在一般情况下，半桥式变压器开关电源的输出电压uo，主要还是由(1-158)、(1-159)、(1-161)等式来决定。即：半桥式变压器开关电源的输出电压uo，主要由开关电源变压器次级线圈N2绕组输出的正激电压来决定。

图1-37是图1-36半桥式变压器开关电源，在负载为纯电阻，且两个控制开关K1和K2的占空比D均等于0.5时，变压器初、次级线圈各绕组的电压、电流波形。

图1-37-a)和图1-37-b)分别表示控制开关K1接通时，开关变压器初级线圈N1绕组两端的电压uab的波形，和流过变压器初级线圈N1绕组两端的电流ic1的波形;图1-37-c)和图1-37-d)分别表示控制开关K2接通时，开关变压器初级线圈N1绕组两端的电压uba的波形，和流过开关变压器初级线圈N1绕组两端的电流ic2的波形;图1-37-e)和图1-37-f)分别表示控制开关K1和K2轮流接通时，开关变压器次级线圈N2绕组两端输出电压uo的波形，和流过开关变压器次级线圈N2绕组两端的电流波形。

从图1-37-b)和图1-37-d)中我们可以看出，当控制开关K1或K2接通瞬间，流过变压器初级线圈N1绕组的电流，其初始值并不等于0，而是产生一个电流突跳，这是因为变压器次级线圈N2绕组中有电流流过的原因。

当变压器次级线圈N2绕组有负载电流流过时，其产生的磁通方向正好与流过变压器次级线圈N1绕组励磁电流产生的磁通方向相反，因此，流过变压器初级线圈N1绕组的电流也要在原来励磁电流的基础上再增加一个电流，来抵消流过变压器次级线圈N2绕组电流的影响。增加电流的大小等于流过变压器次级线圈N2绕组电流的n倍，n为变压器次级线圈N2绕组与初级线圈N1绕组的匝数比。

从图1-37-f)中我们可以看出，流过开关变压器次级线圈N2绕组两端的电流波形是个矩形波，而不是三角波。这是因为半桥式变压器开关电源同时存在正、反激电压输出的缘故。当变压器同时存在正、反激电压输出时，反激式输出的电流是由最大值开始，然后逐渐减小到最小值，如图中虚线箭头所示;而正激式输出的电流则是由最小值开始，然后逐渐增加到最大值，如图中实线箭头所示;因此，两者同时作用的结果，正好输出一个矩形波。

从图1-37-e)还可以看出，输出电压uo由两个部分组成，一部分为电容器C1或C2存储的电压Uc1或Uc2通过变压器初级线圈N1绕组感应到次级线圈N2绕组的正激式输出电压(uo)，这个电压的幅度比较稳定，一般不会随着时间变化而变化;另一部分为励磁电流通过变压器初级线圈N1绕组存储的磁能量产生的反激式输出电压[uo]，这个电压会使波形产生反冲，其幅度是时间的指数函数，它会随着时间增大而变变小。

这里还需指出，图1-37-e)中的波形有上冲，在纯电阻负载中是正常的，尽管在控制开关K1或K2接通瞬间，开关变压器初级线圈N1绕组存储的磁能量有一部分要被电容器C1或C2吸收，待反电动势的能量基本被吸收完后，电容器C1或C2才开始对变压器初级线圈N1绕组供电。相当于变压器次级线圈N2绕组输出电压uo也要通过变压比被电容器C1、C2存储的电压进行限幅。

但由于控制开关K1、K2在刚接通瞬间有比较大的电阻，因此，变压器次级线圈N2绕组瞬间反激输出电压高于正激输出电压是肯定的。另外，如果两个储能分压电容的容量取得比较小，电源输出电压uo也会受电容的充放电过程影响，即：输出电压受Uc1或Uc2的变化调制，此时波形的上冲现象显得更为严重。

不过在大多数情况下，最好还是采用半波平均值的概念来进行电路分析或计算，以免需要进行复杂的指数函数运算。

在实际应用中，为了防止变压器初级线圈产生的反电动势把开关器件击穿，降低开关器件半导通状态期间的损耗和半桥式变压器开关电源输出电压波形的反冲幅度，一般可在图1-36中两个控制开关，每个控制开关的两端都并联一个阻尼二极管，如图1-38所示。

在图1-38中，D1、D2为阻尼二极管，它们分别与控制开关K1、K2并联。当控制开关K1由接通转换到关断时，不管K2处于什么工作状态，接通或关断，只要N1线圈中产生的感应电动势e1的幅度超过电容器C2两端的电压Uc2，二极管D2就会导通，相当于感应电动势e1通过二极管D2被电容C2两端的电压Uc2进行限幅，同时也相当于变压器次级线圈N2绕组输出电压uo也要通过电磁感应被Uc2进行限幅，而二极管D2对控制开关K2的工作几乎不受影响。

同理，当控制开关K2由接通转换到关断时，不管K1处于什么工作状态，只要N1线圈中产生的感应电动势e1的幅度超过电容器C1两端的电压Uc1，二极管D1就会导通，感应电动势e1就会通过二极管D1被电容器C1两端的电压Uc1进行限幅，这也相当于变压器次级线圈N2绕组输出电压uo也要通过电磁感应被Uc2进行限幅，而二极管D2对控制开关K2的工作几乎不受影响。

一般人们都把D1、D2称为阻尼二极管，这是因为D1、D2没有直接对输出电压uo进行限幅，而是通过变压器初、次级之间的感应作用间接进行的。实际应用中，一般都在开关三极管的E-C或场效应管的S-D两个电极内部封装有一个阻尼二极管，其作用就是用来对输出电压反冲进行阻尼用的。阻尼二极管D1、D2的另一个作用是防止变压器初级线圈N1绕组中产生的感应电动势e1对控制开关K1、K2反向击穿。