开关电源原理与设计(连载56)双激式开关电源变压器存在的风险

2-1-1-7．双激式开关电源变压器存在的风险

上面我们对双激式开关电源变压器工作原理进行分析，都是考虑双激式开关电源变压器完全工作于理想的情况下而得出的结果。因此，图2-6、图2-7和（2-17）、（2-18）式的分析结果都是在理想的工作条件下进行的。如果我们把双激式开关电源变压器的工作条件稍微变动一下，我们将会看到，双激式开关电源变压器在一定的条件下，将会得出很坏的结果，即：双激式开关电源变压器在工作中存在很大的风险。

我们先来看图2-5和图2-6，如果开关变压器的铁芯在这之前已经被其它磁场磁化过，变压器铁芯中的磁通密度B正好停留在剩余磁通密度Br的位置上，那么，当第一个交流脉冲的正半周电压加到图2-5所示变压器初级线圈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将不会按图2-6中磁化曲线e-f-a上升，而是按图2-10中的磁化曲线b-g上升。

如果变压器的伏秒容量原来是按（2-17）式来确定的，即变压器铁芯中的磁通密度的变化范围等于最大磁通密度Bm的两倍，即：ΔB = 2Bm；那么，当第一个交流脉冲的正半周电压加到图2-5所示变压器初级线圈a、b两端时，变压器铁芯中磁通密度的最大变化范围应该正好等于2Bm；由于变压器铁芯中的磁化过程是从上次剩余磁通密度Br的位置开始的，因此，变压器铁芯中新的最大磁通密度应该达到Br+2Bm 。

由于在开关变压器铁芯中没有预留防止磁饱和的气隙，在一般情况下开关变压器的伏秒容量都不会取得很大，如果根据图2-6继续延伸磁通密度的磁化曲线的长度，使之达到Br+2Bm的高度，显然此时的磁场强度已经使磁通密度达到深度饱和。

图2-10就是在图2-6的基础上，根据上面分析条件而绘制的磁化曲线图。在图2-10中，虚线表示的磁化曲线a-b-c-d-e-f-a，是开关变压器铁芯根据（2-17）式选定参数后所决定的磁滞回线图。虚线线段d-a是开关变压器铁芯的理想磁化曲线，理想磁化曲线是一条斜率等于最大磁通密度增量与最大磁场强度增量之比，且经过坐标原点的直线；当直线不经过坐标原点时，这条直线称为等效磁化曲线。由于磁通密度与输入电压对应，磁场强度与励磁电流对应，因此，理想磁化曲线d-a亦可称为变压器输入电压与励磁电流的理想负载曲线；等效磁化曲线亦可称为等效负载曲线。

在正常情况下，当有交流脉冲电压输入时，磁通密度B就会沿着理想磁化曲线d-a，由负最大值-Bm至正最大值Bm，然后，又由正最大值Bm至负最大值-Bm，来回地变化；对应磁场强度H也是沿着理想磁化曲线d-a由负最大值-Hm至正最大值Hm，然后，又由正最大值Hm至负最大值-Hm，来回变化。

但当变压器铁芯中的磁化过程是从上次剩余磁通密度Br的位置开始时，上面所分析的理想磁化过程将要被破坏，磁通密度B不会再沿着理想磁化曲线d-a进行，而是沿着另一条新的等效磁化曲线进行；这条新的等效磁化曲线应该与原理想磁化曲线d-a平行，并且经过Br点，图2-10中虚线b-h就是这条新的等效磁化曲线的一部分。这里只画出新等效磁化曲线的一半，另一半在图2-10中没有画出。

图2.10 在图2-6的基础上根据上面分析条件而绘制的磁化曲线图

因此，当第一个交流脉冲的正半周电压输入时，如果开关变压器的伏秒容量足够大，磁通密度B将会沿着这条新的等效磁化曲线b-h进行，由上次剩余磁通密度Br的位置开始向新的最大值Bh = Br+2Bm攀升。

但由于开关变压器的伏秒容量并不足够大到能保证磁通密度向新的最大值Bh线性增长，即：在实际磁化过程中，磁通密度并没有按新的等效磁化曲线b-h移动，而是按另一条新的磁化曲线b-g（实线）移动；在这条新的磁化曲线b-g上，磁通密度B不可能会被磁场强度H磁化达到新的最大值Bh = Br+2Bm，因为，磁通密度很早就出现饱和；不管磁场强度有多大，最大磁通密度只能磁化达到Bg值。

开关变压器铁芯出现磁饱和，意味着尽管变压器初级线圈中的励磁电流增加，或磁场强度增强，但磁通密度不会随着增加，即：磁通密度增量ΔB等于0，从而变压器初级线圈中的感应电动势也等于0，这会导致变压器初级线圈中的励磁电流无限大。
在大功率开关电源中，当开关变压器铁芯出现饱和时，流过开关变压器初级线圈的励磁电流将非常大，很容易使开关器件过流损坏；或者当回路电流突然被切断时，在开关变压器的初、次级线圈中将会产生很高的反电动势，使元器件过压击穿。

在双激式变压器开关电源中，开关器件第一次开始导通的时候，其相位相对于变压器铁芯磁滞回线的相位来说，一般都是随机的