开关电源原理与设计（连载38）单电容半桥式变压器开关电源输出电压

      图1-41和图1-42是单电容半桥式变压器开关电源刚开始工作时输出电压和储能电容充电时电容器两端的电压波形。这里我们分成两种极端情况来进行分析，图1-41表示单电容半桥式开关电源变压器励磁电流为最大值时的极端情形；而图1-42表示单电容半桥式开关电源变压器励磁电流为最小值时的极端情形。因此，在实际工作中的单电容半桥式变压器开关电源，在刚开始工作的时候，其输出电压和储能电容充电时电容器量端的电压波形一定会介于图1-41和图1-42所包含的两种结果之间。

      由于单电容半桥式变压器开关电源正常工作时，加到变压器初级线圈两端的电压只有输入电源电压的二分之一，因此，在进行变压器参数设计的时候不可能把变压器的伏秒容量取得很大；当加到变压器初级线圈两端的电压高于正常工作电压的两倍时，在变压器初级线圈中将会出现很大的励磁电流，甚至会使变压器铁心中的磁感应强度接近饱和；在这种情况下，开关电源的反激输出电压就不能不考虑；当变压器次级线圈输出电流基本为0或很小时，开关电源的输出电压主要就是反激输出电压与正激输出电压的和，并且两者的半波平均值基本相等。图1-41就是表示这种情形。

      图1-41-a）表示图1-39单电容半桥式变压器开关电源刚开始工作时，在变压器初级线圈励磁电流最大的情况下，输出电压（取半波平均值）和储能电容充电时电容器两端的波形；图1-41-b）表示图1-39单电容半桥式变压器开关电源，在变压器初级线圈励磁电流最大的情况下，刚开始工作时储能电容充电时电容器两端的波形。

      图1-41-a）中，正半周电压波形表示储能电容充电时开关电源输出的正激输出电压，负半周电压波形表示储能电容放电时开关电源输出的反激输出电压和正激输出电压；但正激输出电压相对于反激输出电压来说，幅度很小，这是变压器励磁电流很大的缘故。图1-41-a）中反激输出电压波形图是根据（1-75）、（1-158）、（1-169）等式分析画出来的。而图1-41-b）中储能电容器两端的波形的波形图是根据（1-164）到（1-169）等式分析画出来的。

      从图1-41-a）可以看出，单电容半桥式变压器开关电源刚开始工作的时候，正、反激输出电压的幅度很高，这是因为储能电容器刚开始充电，储能电容器两端的电压还很低，输入电源电压几乎全部被加到变压器初级线圈的两端；并且此时变压器初级线圈中的励磁电流很大，存储的磁能量也很大。当储能电容器将要充满电的时候，加到变压器初级线圈两端的电压也将降低，最后基本稳定在一个数值上，就是输入电源电压的二分之一。

      图1-42也是单电容半桥式变压器开关电源刚开始工作时输出电压和储能电容充电时电容器两端的电压波形，不过，图1-42表示的是单电容半桥式开关电源变压器励磁电流为最小值时的极端情形。在这种情形下，相当于开关电源变压器的伏秒容量必须取得足够大，其励磁电流才会足够地小。

      图1-42-a）表示图1-39单电容半桥式变压器开关电源刚开始工作时，在变压器初级线圈励磁电流最小的情况下，输出电压（取半波平均值）和储能电容充电时电容器两端的波形；图1-42-b）表示图1-39单电容半桥式变压器开关电源，在变压器初级线圈励磁电流最小的情况下，刚开始工作时储能电容充电时电容器两端的波形。

      图1-42-a）中，正半周电压波形表示储能电容充电时开关电源输出的正激输出电压，负半周电压波形表示储能电容放电时开关电源输出的反激输出电压和正激输出电压；但反激输出电压相对于正激输出电压来说，幅度很小，这是变压器励磁电流很小的缘故。图1-42-a）中反激输出电压波形图是根据（1-75）、（1-158）、（1-169）等式分析画出来的。而图1-42-b）中储能电容器两端的波形的波形图是根据（1-164）到（1-169）等式分析画出来的。

      从图1-42-a）可以看出，单电容半桥式变压器开关电源刚开始工作的时候，输出电压的波形上下半周是不对称的，上半周输出电压幅度很高，是因为储能电容器刚开始充电，储能电容器两端的电压还很低，输入电源电压几乎全部被加到变压器初级线圈的两端；负半周输出电压幅度很低，是因为储能电容器还没有充满电，储能电容器放电的电压很低。当储能电容器将要充满电的时候，加到变压器初级线圈两端的电压也将降低，最后基本稳定在一个数值上，就是输入电源电压的二分之一。

      从原理上说，要经过无限长的时间才能把图1-39中的储能电容充满电，但在实际应用中，一般都认为储能电容器充电的电压达到其充满电时的90%，即可认为电容器已基本被充满电。

      在电容器的充电过程中，当电容器充电的电压达到最大电压的90%时，其连续充电时间为2.3τ，这里τ为电容器充电的时间常数。但考虑到在图1-39的电路中，电容器时一边充电，一边又放电，因此电容被充满电的时间会很长，大约需要5τ时间左右。
这里我们再次指出，在单电容半桥式变压器开关电源之中，电容充、放电都是按指数曲线或正、余弦曲线进行，因此，输出电压波形不应该是一个矩形波，而是一个波形的顶部按指数曲线变化的脉冲，但为了方便分析，我们这里还是采用半波平均值的方法来进行分析。

      另外，单电容半桥式变压器开关电源同样也存在反激式输出，但单电容半桥式变压器开关电源在正常工作状态下，主要还是属于正激式输出电源，反激式输出的能量相对比较小，因为，单电容半桥式开关电源变压器初级线圈的励磁电流一般都取得很小。当反激式输出电压迭加在正激式输出电压上面时，输出电压波形的前、后沿会出现脉冲尖峰，这一点特别值得注意。

      对于整流输出式的单电容半桥式变压器开关电源，由于输出端的储能滤波电容时间常数很大，反激式输出的脉冲尖峰很容易被储能滤波电容吸收掉，整流之前输出的电压波形基本上就是图1-41-a）或图1-42-a）中正激输出电压的半波平均值波形。
      顺便说明，上面所谓的变压器初级线圈励磁电流最大或最小情况，这里是指变压器初级线圈的伏秒容量比较小或非常大的情况，并不是指变压器铁心的磁感应强度一定要达到饱和。