开关变压器的工作原理
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  开关变压器一般都是工作于开关状态;当输入电压为直流脉冲电压时,称为单极性脉冲输入,如单激式变压器;因此,开关变压器也可以称为脉冲变压器,因为其输入电压是一序列脉冲;不过要真正较量起来的时候,开关变压器与脉冲变压器在工作原理上还是有区别的,因为开关变压器还分正、反激输出,这一点后面还将详细说明。

  设开关变压器铁芯的截面为S,当幅度为U、宽度为τ的矩形脉冲电压施加到开关变压器的初级线圈上时,在开关变压器的初级线圈中就有励磁电流流过;同时,在开关变压器的铁芯中就会产生磁场,变压器的铁芯就会被磁化,在磁场强度为H的磁场作用下又会产生磁通密度为B的磁力线通量,简称磁通,用“Φ ”表示;磁通密度B或磁通Φ受磁场强度H的作用而发生变化的过程,称为磁化过程。所谓的励磁电流,就是让变压器铁芯充磁和消磁的电流。

  根据法拉第电磁感应定理,电感线圈中的磁场或磁通密度发生变化时,将在线圈中产生感应电动势;线圈中感应电动势为:

  式中,N为开关变压器的初级线圈的匝数; Φ为变压器铁芯的磁通量;B为变压器铁芯的磁感应强度或磁通密度平均值。

  这里引进磁通密度平均值的概念,是因为变压器铁芯中的磁通并不是均匀分布,磁通密度与铁芯或铁芯截面上的磁通实际分布有关。因此,在分析诸如变压器的某些宏观特性的时候,有时需要使用平均值的概念,以便处理问题简单。

  假定磁通密度的初始值为B(0) = Bo(取t = 0),当t>

  0时,磁通密度以线性规律增长,磁通密度以线性规律增长,即:

  当t = τ时,即时间达到脉冲的后沿时,磁通密度达到最大值Bm = B(τ)。磁通密度增量(磁通密度初始值和最终值之差)∆B = B(τ)-B(0) = Bm-Bo 。

  当输入电压是一序列单极性矩形脉冲时,根据电磁感应定律,在变压器铁芯中将产生一个磁通密度增量与之对应,即:

  如果能忽略涡流影响,则磁场强度H的平均值取决于导磁体材料的性质。变压器初级线圈内的磁化电流 的增长与H成正比。在特性曲线的直线段内磁场强度H、磁化电流Iμ 和磁通密度B都以线性变化。

  脉冲电压作用结束后( t>

  τ ),变压器中的磁化电流将按变压器的输出电路特性,变压器对输出电压即电路参数确定的规律下降,变压器铁芯内的磁场强度和磁通密度也相减弱,此时变压器线圈内产生反极性电压,即反电动势。变压器的输出电路特性实际上就是第一章中已经详细介绍过的正、反激电压输出电路特性。

  上面分析虽然都是以单极性脉冲输入为例,但对双极性脉冲输入同样有效;在方法上,只须把双极性脉冲输入看成是两个单极性脉冲分别输入即可。

  开关电源变压器分单激式开关电源变压器和双激式开关电源变压器,两种开关电源变压器的工作原理和结构并不是完全一样的。单激式开关电源变压器的输入电压是单极性脉冲,并且还分正反激电压输出;而双激式开关电源变压器的输入电压是双极性脉冲,一般是双极性脉冲电压输出。

  另外,为了防止磁饱和,在单激式开关电源变压器的铁芯中一般都要留气隙;而双激式开关电源变压器的铁芯磁通密度变化范围相对来说比较大,一般不容易出现磁饱和现象,因此,一般都不用留气隙。

  单激式开关电源变压器还分正激式和反激式两种,对两种开关电源变压器的技术参数要求也不一样;对正激式开关电源变压器的初级电感量要求比较大,而对反激式开关电源变压器初级电感量的要求,其大小却与输出功率有关。

  双激式开关电源变压器铁芯的磁滞损耗比较大,而单激式开关电源变压器铁芯的磁滞损耗却比较小。这些参数基本上都与变压器铁芯的磁化曲线有关,因此,下面首先对变压器铁芯的磁化过程进行详细分析。

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