开关电源原理与设计( 连载53)

2-1-1-4．脉冲序列对双激式开关电源变压器铁心的磁化

双激式变压器与单激式变压器的区别主要是两者输入电压的参数不一样。单激式变压器输入的电压是单极性直流脉冲，而双激式变压器输入的电压是双极性交流脉冲。为了简单起见，我们把双激式变压器开关电源等效成如图2-5所示电路。图2-5与图2-1所示电路的不同之处在于，图2-1输入电压是直流脉冲方波，而图2-5输入电压是交流脉冲电压方波。因此，图2-5所示电路与一般的变压器电路在工作原理上没有根本的区别。

在图2-5中，当一系列序号为1、2、3、…的交流脉冲电压方波分别加到变压器初级线圈a、b两端时，在开关变压器的初级线圈中就会分别有两个正、反方向的励磁电流流过，同时，在开关变压器的铁芯中就会分别产生正、反两个方向的磁场，在磁场强度为H的磁化作用下又会产生与磁场强度H对应的磁通密度B或磁通Φ 。

图2-6是双激式开关变压器铁芯磁通密度B与磁场强度H之间的关系图，或称变压器铁芯磁化曲线图或磁滞回线图。之所以把图2-6磁滞回线图，是因为磁通密度B比磁场强度H滞后一个相位或者一段时间。

如果开关变压器的铁芯在这之前从来没有被任何磁场磁化过，并且开关变压器的伏秒容量足够大，那么，当第一个交流脉冲的正半周电压加到变压器初级线圈a、b两端时，在变压器初级线圈中将有励磁电流流过，并在变压器铁芯中产生磁场；在磁场强度H的作用下，变压器铁芯中的磁通密度B将会按图2-6中o-a磁化曲线上升；当脉冲电压的正半周将要结束时，磁场强度到达最大值Hm，同时对应的磁通密度也被磁化到最大值Bm。磁通密度在增加，表示流过变压器初级线圈中的励磁电流产生的磁场正在对变压器铁芯进行充磁。

第一个交流脉冲的正半周电压结束后，虽然输入电压由正的最大值突然降到0 ，但流过变压器初级线圈中的励磁电流不能马上下降到零，因此，磁场强度H也不会马上下降到零；此时，变压器的初、次级线圈会同时产生反电动势，由于反电动势的作用，在变压器的初、次级线圈回路中会有电流流过，这种回路电流属于感应电流，或称感生电流，感应电流会在变压器铁芯中产生反向磁场，使变压器铁芯退磁，磁场强度H开始由最大值Hm逐步退到0 。

但变压器铁芯中的磁通密度B却不会跟随磁场强度下降到零，由于变压器铁芯具有磁矫顽力，变压器铁芯铁芯的磁化过程是不可逆的，因此磁通密度被退磁时并不是按充磁时的o-a磁化曲线原路返回，而是按另一条新的磁化曲线a-b返回到b点，即：剩余磁通密度Br处；因此，磁通密度位于b点的值，人们都习惯地把它称为剩余磁通密度，或简称“剩磁”，用Br表示。

当输入交流脉冲电压由正半周转换成负半周的时候，励磁电流的方向也要改变，使变压器铁芯继续进行退磁，磁通密度由b点沿着b-c磁化曲线继续退磁到c点，此时，磁通密度虽然为零，但对应的磁场强度并不为零，而是一个负值；当励磁电流按相反的方向继续增加时，磁通密度也相应地按相反的方向沿着c-d磁化曲线继续增加，此时，变压器铁芯由退磁转变为被反向充磁；当磁通密度沿着磁化曲线c-d增加到达d点时，对应的磁场强度达到负的最大值-Hm，磁通密度也同时达到负的最大值-Bm 。

第一个交流脉冲的负半周电压结束后，输入电压将由负的最大值突然降到0 ，但流过变压器初级线圈中的励磁电流不能马上下降到零，因此，磁场强度H也不会马上下降到零；同理，变压器的初、次级线圈会同时产生反电动势，感应电流会在变压器铁芯中产生反向磁场，使变压器铁芯退磁，磁场强度H由负的最大值-Hm逐步退到0；由于变压器铁芯具有磁矫顽力，因此，磁通密度的下降并不是按充磁时的磁化曲线c-d原路返回到c，而是按另一条新的磁化曲线d-e返回到e点，即：负的剩余磁通密度-Br。

第一个交流脉冲结束后，第二个交流脉冲对变压器铁芯的磁化并没有重复第一个交流脉冲的磁化过程。当第二个交流脉冲的正半周电压到来时，磁通密度却是从磁化曲线的e点-Br位置开始的，其对应的磁场强度为0，然后磁通密度沿着磁化曲线e-f上升，经过0后再沿着磁化曲线f-a升到最大值Bm，对应的磁场强度为最大值Hm。

其余类推，每输入一个正、负脉冲，磁通密度都会沿着磁化曲线e-f-a上升到最大值Bm，然后又沿着磁化曲线a-b-c-d下降到负的最大值-Bm 。

除了第一个交流脉冲，磁通密度由0经过磁化曲线o-a上升到最大值Bm之外，后面任何一个电压脉冲加于变压器初级线圈a、b两端，变压器铁芯被磁化，磁通密度都不会再经过磁化曲线o-a。因此，图2-6中磁化曲线o-a与图2-4所示的磁化曲线B一样，也叫初始磁化曲线或基本磁化曲线。

从图2-6还可以看出，虽然磁通密度被磁场强度磁化的时候可以同时到达正、负最大值，但在磁场强度经过零的时候，磁通密度与磁场强度总是出现一个相位差。

图2-7是多个交流脉冲电压连续加到变压器初级线圈a、b两端时，输入脉冲电压与变压器铁芯中磁通密度B或磁通Φ对应变化的曲线图。

图2-7-a）为输入电压各个交流脉冲之间的相位图，图2-7-b）为变压器铁芯中磁通密度B或磁通Φ对应各个输入交流脉冲电压变化的曲线图；图2-7-c）为变压器铁芯中磁场强度H对应磁通密度B或磁通Φ和各个交流脉冲电压之间变化的曲线图。

从图2-7-a）和图2-7-b）可以看出，每输入一个交流脉冲电压，变压器铁芯中的磁通密度B或磁通Φ就要线性增长和下降一次，磁通密度变化的范围是从负的最大值-Bm到正的最大值Bm，并且增长和下降的速率基本一样。从图2-7-c）可以看出，每输入一个交流脉冲电压，变压器铁芯中的磁场强度H也要增长和下降一次，但增长和下降的速率却不一样；增长的速度慢，而下降的速度快，这是因为变压器初、次线圈产生的反电动势与输入电压同时对变压器铁芯进行退磁的原因。

从图2-7与图2-3进行对比可以看出，双激式开关电源变压器铁芯的磁化过程，不会出现单激式开关电源变压器铁芯需要经过多个输入脉冲后，磁通密度B或磁通Φ增长的幅度与下降的幅度才能达到稳定的情况。相对来说，双激式开关电源变压器铁芯的磁化过程达到稳定需要的时间非常短；从输入第一个脉冲开始，磁通密度B或磁通Φ增长的幅度与下降的幅度就基本一样大；并且变压器铁芯中的磁通密度B或磁通Φ的增长或下降都是线性的；因为，输入电压正、负半周的幅度都相等，而输入电压正比于变压器初级线圈的匝数与磁通对时间变化速率的乘积。

——输入电压与磁通变化的关系，请参考上面（2-13）和（2-14）式。