跟电源专家陶显芳学电源技术（二）：漏感与分布电容对输出波形的影响（下）

　　当开关管开始关断时，外电路给栅极加一负电压（或低电压），通过静电感应，开关管内耗尽层中的载流子（电子）在电场的作用下会重新进行分布，相当于外电路要向耗尽层抽离载流子，耗尽层中载流子的浓度将按指数规律减小，耗尽层的厚度也将随时间增大而变小，其结果是耗尽层的电阻将随时间由小变大。这个过程，与电容被充电时，流过电容的电流由大变小很相似；所以，当开关管刚导通的一瞬间，开关管可以等效成一个理想的开关与一个电容器并联，这个电容器就是漏极和源极之间的分布电容Cds。如图5是开关管关断时，反激式开关电源的工作原理图。

　　根据上面分析，栅极电容Cgs对开关管的导通影响比较大，容量越大，开关管的导通上升时间就越长。而漏极电容Cds对开关管的关断影响比较大，容量越大，开关管关断存储时间就越长。电容Cgs和Cds也称扩散电容，它们既具有电阻的性质，同时也具有电容充放电的特性，这种特性主要与耗尽层中载流子的浓度变化有关。

　　当电源开关管为晶体管时，Cgs和Cds分别与Cbe和Cce对应，工作原理场效应管的工作原理基本相同或相似。不过基区参与导电的载流子的密度的增加或减少，不是靠静电感应的作用，而是靠基极电流的注入。

　　由于开关管在导通或关断期间，其分布参数的性质和作用也在改变，因此，在图1～5中，要对分布电感Ls和分布电容Cs，以及Cgs和Cds组成的电流回路进行精确计算，难度是很大的。下面，我们将以很长的篇幅来对上面电路进行分析和计算。

　　在图4中，分布电感Ls和分布电容Cs可以看成是一个串联振荡回路，当开关管Q1开始导通的时候，输入脉冲电压的上升率远远大于输入电压通过分布电感Ls对分布电容Cs充电电压的上升率，此时，串联振荡回路开始吸收能量，输入电压通过Lds和Ls对Cs进行充电，流过Ls和Cs的电流按正弦曲线增长；当开关管Q1完全导通以后，Lds的值等于0，此时，输入脉冲进入平顶阶段，相当于输入脉冲电压的上升率为0，由于，输入脉冲电压的上升率远远小于分布电感Ls与分布电容Cs进行充、放电时电压的上升率，因此，振荡回路开始释放能量，振荡回路会产生阻尼振荡。

　　由于分布电感Ls和分布电容Cs的时间常数相对于励磁电感 比较小，所以分布电感Ls和分布电容Cs产生阻尼振荡的过程主要发生在开关管Q1导通和关断的一瞬间。当开关管Q1导通或关断后不久，阻尼振荡很快就会停止。当输入电压对分布电容Cs充满电后，输入电压就完全加到励磁电感 的两端。如果是反激式开关电源，流过励磁电感 的电流将随时间从0开始线性增加；如果是正激式开关电源，流过励磁电感 的电流将随时间按梯形波曲线增长。

　　在开关管Q1导通期间，由于开关管的导通内阻非常小，分布电容Cds基本上是不起作用的。当开关管Q1由导通状态转换为关断时，开关管漏极和源极之间的分布电容Cds将被接入电路中，分布电感Ls和励磁电感 将同时产生反电动势，并分别对分布电容Cds和Cs进行充、放电，电容与电感在交替进行能量交换的过程中，将产生串、并联振荡。

　　但由于励磁电感 的时间常数比Ls、Cs和Cds的时间常数大好多，因此，在产生振荡的过程中，主要由Ls、Cs和Cds三者产生作用。另外，在开关管开始关断期间，由于Cds实际上是一个阻抗由小到大，其阻抗变化过程类似于电容充电的可变电阻，它只吸收能量，而不会释放能量。因此，它在产生振荡的过程中，只对充电曲线的上升速率起影响，而对放电曲线的下降速率不起影响。

　　图6是图4和图5电路中，当开关管导通时（图4），输入电压ui通过开关变压器漏感Ls对分布电容Cs进行充电，使漏感Ls与分布电容Cs产生冲击振荡时，分布电容Cs两端的电压波形；和当开关管关断时（图5），输入电压ui与开关变压器漏感Ls和分布电容Cs、Cds产生充、放电时，电源开关管D、S极两端的波形。

　　在图6中，图6-a是电源开关管Q1导通时，输入电压ui加于开关变压器初级线圈两端的电压波形；图6-b是分布电容Cs两端的电压波形；图6-c，是电源开关管Q1漏极D与源极S之间的电压波形。

　　在t0时刻，电源开关管Q1开始导通，输入电压ui加于开关变压器两端，输入电压ui首先通过分布电感Ls对分布电容Cs充电，此时，由于输入电压ui的上升率大于电流通过分布电感Ls对分布电容Cs进行充电的电压上升率，所以，分布电感和分布电容都从输入电压吸收能量。输入电压ui在对分布电感Ls和分布电容Cs进行充电过程中，分布电容Cs两端的电压是按正弦曲线上升的；而放电时，其两端的电压则按余弦曲线下降。

　　到t1时刻，流过Ls的电流达到最大值，同时分布电容Cs两端的电压与输入电压ui相等（或与变压器初级线圈的正激输出半波平均值Upa相等），此时输入电压ui的上升率为0，输入电压ui的上升率小于分布电感Ls对分布电容Cs充电的电压uc上升率，所以，分布电感Ls开始释放能量继续对分布电容Cs进行充电。此时，Ls在释放能量，而输入电压ui和分布电容Cs都在吸收能量，分布电容Cs都两端的电压uc继续按正弦曲线上升。

　　到t2时刻，流过Ls的电流等于0（储存于Ls中的能量被释放完毕），分布电感产生的反电动势对分布电容Cs进行充电结束，此时Cs两端的电压也达到最大值，然后Cs开始按余弦曲线对Ls和输入电压ui进行放电，流过Ls的电流开始反向，Ls开始反向储存磁能量。

　　到t3时刻，Cs两端的电压又与输入电压ui相等，电容停止放电，此时，Ls储存的磁能量将转化成反电动势es给电容Cs进行反向充电，使Cs两端的电压低于输入电压ui。

　　到t4时刻，流过Ls的反向电流等于0，Cs两端的电压达到最低值，然后输入电压又开始通过Ls对Cs进行充电，至此，分布电感Ls与分布电容Cs第一个充放电周期结束。

　　到t4时刻之后，输入电压ui对分布电感Ls和分布电容Cs进行充电的过程，以及分布电感Ls和分布电容Cs互相进行充电的过程，与t0～t4时刻基本相同。但由于在此期间，输入电压的上升率等于0，输入电压不再向分布电感Ls和分布电容Cs提供能量，因此，分布电感Ls与分布电容Cs产生自由振荡的幅度是随着时间衰减的，其衰减速率与等效电阻大小有关。

　　到t10时刻，分布电感Ls与分布电容Cs产生的阻尼自由振荡的幅度被衰减到差不多等于0，此时，分布电容Cs两端的电压等于变压器初级线圈的正激输出半波平均值Upa。关于半波平均值Upa和Upa-的计算方法及定义，请参考第一章的（1-70）和（1-71）式及说明。

　　在图6-b中，Upa为变压器初级线圈正激输出电压的半波平均值，此值与输入电压相等；Upa-为变压器初级线圈反激输出电压的半波平均值，此值与占空比相关；当占空比等于0.5时，Upa-与输入电压在数值上相等，但符号相反。

　　到t11时刻，电源开关管Q1开始关断，由于流过分布电感Ls和励磁电感 的电流通路突然被切断，其必然会产生反电动势 和 ，此二反电动势将与输入电压ui一起串联对分布电容Cs和Cds进行充电。但由于Cs两端的电压与 电压基本相等，因此，对分布电容Cds进行充电的电压正好是输入电压ui与反电动势电压 和 三者之和。

　　到t12时刻，电源开关管Q1已经完全关断，但二反电动势 和 与输入电压ui还继续对分布电容Cs和Cds进行充电，不过，此时Cds的容量已经变得非常小，因为它表示开关管内部的扩散电容，属于电阻性质，当开关管完全关断之后，阻值为无限大。

　　直到t13时刻，分布电感Ls储存的磁能量基本被释放完，二反电动势 和 才停止对分布电容Cs和Cds继续进行充电；此时，分布电容Cs和分布电容Cds的两端电压均达到了最大值，即，加到电源开关管Q1漏极上的电压达到最大值；而后，分布电容Cs又对原充电回路进行放电，并产生自由振荡，但由于电源开关管Q1关断后阻抗为无效大，其放电回路只能通过等效R和励磁电感 进行，所以振幅很快就衰减到0。图3-c为电源开关管D、S两端的波形。

　　在图6-c中，Uda为开关管Q1关断期间，D、S两极之间电压的半波平均值，Uda等于输入电压ui（ui=U）与变压器初级线圈产生反激输出电压的半波平均值Upa-之和；Udp为开关管关断期间D、S两极之间电压的峰值。Udp和Uda的值均与占空比有关，当占空比等于0.5时，Uda约等于输入电压ui（ui=U）的2倍，而Udp则大于输入电压的2倍，并且Udp的值还与漏感Ls的值大小有关，Ls的值越大，Udp的值也越大。

　　这里顺便指出，图6-b的波形是很难测量到的，因为分布电感Ls与分布电容Cs产生自由振荡的过程，基本上都在变压器内部的分布电感与分布电容之间进行，用仪器很难直接进行测量；但通过测量变压器次级线圈的波形，也可以间接测量图6-b中波形的振幅；而图6-c的波形可以直接进行测量，两者的振幅均与分布电感Ls的数值大小有关，还与等效电阻R的阻值有关。分布电感Ls的数值越大，振幅也越大，等效电阻R的阻值越大，振幅也越大。

　　当自由振荡很强时，自由振荡会通过电磁辐射的形式给周边的电路或电子设备造成EMI干扰。这一点在进行开关变压器设计时务必要注意，应该尽量减小分布电感Ls的数值。