圖1是單激式開關(guān)電源的基本原理圖。圖中，T為開關(guān)變壓器，N1和N2分別為開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈；
為開關(guān)變壓器的漏感，
為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電感；
為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的分布電容，
為開關(guān)變壓器次級(jí)線圈的輸出負(fù)載，Q1為電源開關(guān)管。
圖1 開關(guān)電源的基本電路
變壓器初級(jí)線圈或次級(jí)線圈的分布電容Cs可按下式進(jìn)行計(jì)算：
式中，
為第
層與+1層線圈之間的靜態(tài)電容，= 1、2、3、• • •、n ，n為所求總分布電容的變壓器初級(jí)線圈或次級(jí)線圈的層數(shù)；
為第層與+1層線圈之間的平均周長(zhǎng)；
為第層與+1層線圈之間分布電容的動(dòng)態(tài)系數(shù)，
，它與加到電容兩端的電壓有關(guān)，
是一個(gè)小于1的系數(shù)；
為第層與+1層線圈之間的標(biāo)準(zhǔn)電位差，其值一般等于相鄰兩層線圈工作電壓之和，即：
，U為變壓器初級(jí)線圈或次級(jí)線圈兩端的工作電壓；
、
分別為第層與+1層線圈之間x=0和x=h處對(duì)應(yīng)的電位差；當(dāng)線圈層間按S繞法時(shí)，= 0，=；當(dāng)線圈層間按Z繞法時(shí)，
。
[member]
如果不考慮變壓器次級(jí)線圈對(duì)初級(jí)線圈的影響，對(duì)于一個(gè)功率大約為100瓦的開關(guān)變壓器，其初級(jí)線圈的分布電容大約在100~2000微微法之間；如果把次級(jí)線圈的分別電容也考慮進(jìn)去，總的分布電容可能要大一倍左右，因?yàn)槌酢⒋渭?jí)線圈分布電容的轉(zhuǎn)換比是平方的關(guān)系。因此，分布電容對(duì)輸出波形的影響是很大的。
根據(jù)變壓器的工作原理，圖1中的開關(guān)變壓器還可以等效為圖2所示電路。
圖2 開關(guān)變壓器的等效電路
在圖2中，Ls為漏感，漏感也稱漏磁電感，或稱分布電感；Cs為分布電容（總分布電容）， lu為勵(lì)磁電感，R為等效負(fù)載電阻。設(shè)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感為L(zhǎng)，則g2 ；而分布電容Cs，則包括次級(jí)線圈等效到初級(jí)線圈一側(cè)的分布電容，即，次級(jí)線圈的分布電容也要等效到初級(jí)線圈回路中；同理，等效負(fù)載電阻R，就是次級(jí)線圈的負(fù)載RL被等效到初級(jí)線圈回路中的電阻。
設(shè)次級(jí)線圈的分布電容為C2，等效到初級(jí)線圈后的分布電容為C1，則有下面關(guān)系式：
上式中，
為次級(jí)線圈分布電容
存儲(chǔ)的能量，為等效到初級(jí)線圈后的分布電容
存儲(chǔ)的能量；
、
分別為初、次級(jí)線圈的電壓，
為變壓比，
、
分別為初、次級(jí)線圈的匝數(shù)。由此可以求得為：
（2）和（3）式的計(jì)算方法不但可以用于對(duì)初、次級(jí)線圈分布電容等效電路的換算，同樣可以用于對(duì)初、次級(jí)線圈電路中其它電容等效電路的換算，以及用于對(duì)負(fù)載電阻的換算。所以，亦可以是次級(jí)線圈電路中的任意電容，為等效到初級(jí)線圈電路中的電容。
由此可以求得圖2中，變壓器的總分布電容Cs為：
（4）式中，Cs為變壓器的總分布電容，Cs1為變壓器初級(jí)線圈的分布電容；而C1為次級(jí)線圈電路中所有電容等效到初級(jí)線圈電路中的電容；C2為次級(jí)線圈電路中所有電容（包括分布電容與電路中的電容）；n = N2/N1為變壓比。
雖然看起來(lái)，圖2開關(guān)變壓器的等效電路與一般變壓器的等效電路沒有根本的區(qū)別，但開關(guān)變壓器的等效電路一般是不能用穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行分析的；即：圖2中的等效負(fù)載電阻R不是一個(gè)固定參數(shù)，它會(huì)隨著開關(guān)電源的工作狀態(tài)不斷改變。例如，在反激式開關(guān)電源中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)變壓器是沒有功率輸出的，即負(fù)載電阻R等于無(wú)限大；而對(duì)于正激式開關(guān)電源，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)變壓器是有功率輸出的，即負(fù)載電阻R既不等于無(wú)限大，也不等于0 。因此，分布電感與分布電容對(duì)正激式開關(guān)電源和反激式開關(guān)電源工作的影響是不一樣的。
圖3是開關(guān)變壓器與電源開關(guān)管連接時(shí)的工作原理圖。圖3中，Q1為開關(guān)管，Cds為開關(guān)管漏極和源極之間的分布電容，Cgs為開關(guān)管柵極和源極之間的分布電容。值得說(shuō)明的是，這里的Cgs和Cds都不是一個(gè)單純性質(zhì)的電容，它只是在開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷的一瞬間，其阻抗的變化過(guò)程與電容（或電感）的充放電過(guò)程很類似；而它的基本性質(zhì)實(shí)際上還是屬于電阻，因?yàn)樗鼤?huì)損耗功率。
圖3 單激式開關(guān)電源等效電路
當(dāng)開關(guān)管開始導(dǎo)通時(shí)，外電路給柵極（絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管）加一正電壓，通過(guò)靜電感應(yīng)，開關(guān)管耗盡層中的載流子（電子）在電場(chǎng)的作用下會(huì)重新進(jìn)行分布，耗盡層中載流子濃度按指數(shù)規(guī)律不斷增加，這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于對(duì)電容Cgs進(jìn)行充電；隨著耗盡層中載流子的重新分布，耗盡層的厚度也相應(yīng)增加，其結(jié)果是耗盡層的電阻由大變小。
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因此，當(dāng)開關(guān)管剛開始導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)開關(guān)管的電流是由小變大，這個(gè)過(guò)程，與在電感兩端加一電壓方波時(shí)，流過(guò)電感的電流由小變大很相似；所以，在開關(guān)管剛導(dǎo)通的一瞬間，開關(guān)管的漏極和源極之間可以等效成一個(gè)電感Lds。由于這個(gè)電感相對(duì)分布電感Ls和勵(lì)磁電感Lv來(lái)說(shuō)很小，所以圖3中沒有畫出。
圖4 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)
圖4是圖3中的開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的等效工作原理圖。在圖4中，電感Lds為開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)的等效電感，當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管的內(nèi)部電阻將隨時(shí)間由大逐步變小，它的作用好像一個(gè)電感，因此，當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管可以等效成一個(gè)理想的開關(guān)與一個(gè)電感串聯(lián)。但這個(gè)電感屬于電阻性質(zhì)，它會(huì)損耗能量，它不像實(shí)際中的電感那樣可以儲(chǔ)存能量（磁能），它實(shí)際上屬于一個(gè)阻值由大變小的可變電阻，但如果用一個(gè)可變電阻來(lái)表示，在計(jì)算過(guò)程中將會(huì)很復(fù)雜，并且在開關(guān)管Q1導(dǎo)通的變化過(guò)程中，用一個(gè)可變電阻來(lái)表示也沒有用一個(gè)電感來(lái)表示顯得形象。
當(dāng)開關(guān)管開始關(guān)斷時(shí)，外電路給柵極加一負(fù)電壓（或低電壓），通過(guò)靜電感應(yīng)，開關(guān)管內(nèi)耗盡層中的載流子（電子）在電場(chǎng)的作用下會(huì)重新進(jìn)行分布，相當(dāng)于外電路要向耗盡層抽離載流子，耗盡層中載流子的濃度將按指數(shù)規(guī)律減小，耗盡層的厚度也將隨時(shí)間增大而變小，其結(jié)果是耗盡層的電阻將隨時(shí)間由小變大。這個(gè)過(guò)程，與電容被充電時(shí)，流過(guò)電容的電流由大變小很相似；所以，當(dāng)開關(guān)管剛導(dǎo)通的一瞬間，開關(guān)管可以等效成一個(gè)理想的開關(guān)與一個(gè)電容器并聯(lián)，這個(gè)電容器就是漏極和源極之間的分布電容Cds。如圖5是開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，反激式開關(guān)電源的工作原理圖。
圖5 開關(guān)管關(guān)斷時(shí)
根據(jù)上面分析，柵極電容Cgs對(duì)開關(guān)管的導(dǎo)通影響比較大，容量越大，開關(guān)管的導(dǎo)通上升時(shí)間就越長(zhǎng)。而漏極電容Cds對(duì)開關(guān)管的關(guān)斷影響比較大，容量越大，開關(guān)管關(guān)斷存儲(chǔ)時(shí)間就越長(zhǎng)。電容Cgs和Cds也稱擴(kuò)散電容，它們既具有電阻的性質(zhì)，同時(shí)也具有電容充放電的特性，這種特性主要與耗盡層中載流子的濃度變化有關(guān)。
當(dāng)電源開關(guān)管為晶體管時(shí)，Cgs和Cds分別與Cbe和Cce對(duì)應(yīng)，工作原理場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理基本相同或相似。不過(guò)基區(qū)參與導(dǎo)電的載流子的密度的增加或減少，不是靠靜電感應(yīng)的作用，而是靠基極電流的注入。
由于開關(guān)管在導(dǎo)通或關(guān)斷期間，其分布參數(shù)的性質(zhì)和作用也在改變，因此，在圖1～5中，要對(duì)分布電感Ls和分布電容Cs，以及Cgs和Cds組成的電流回路進(jìn)行精確計(jì)算，難度是很大的。下面，我們將以很長(zhǎng)的篇幅來(lái)對(duì)上面電路進(jìn)行分析和計(jì)算。
在圖4中，分布電感Ls和分布電容Cs可以看成是一個(gè)串聯(lián)振蕩回路，當(dāng)開關(guān)管Q1開始導(dǎo)通的時(shí)候，輸入脈沖電壓的上升率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入電壓通過(guò)分布電感Ls對(duì)分布電容Cs充電電壓的上升率，此時(shí)，串聯(lián)振蕩回路開始吸收能量，輸入電壓通過(guò)Lds和Ls對(duì)Cs進(jìn)行充電，流過(guò)Ls和Cs的電流按正弦曲線增長(zhǎng)；當(dāng)開關(guān)管Q1完全導(dǎo)通以后，Lds的值等于0，此時(shí)，輸入脈沖進(jìn)入平頂階段，相當(dāng)于輸入脈沖電壓的上升率為0，由于，輸入脈沖電壓的上升率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分布電感Ls與分布電容Cs進(jìn)行充、放電時(shí)電壓的上升率，因此，振蕩回路開始釋放能量，振蕩回路會(huì)產(chǎn)生阻尼振蕩。
由于分布電感Ls和分布電容Cs的時(shí)間常數(shù)相對(duì)于勵(lì)磁電感比較小，所以分布電感Ls和分布電容Cs產(chǎn)生阻尼振蕩的過(guò)程主要發(fā)生在開關(guān)管Q1導(dǎo)通和關(guān)斷的一瞬間。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通或關(guān)斷后不久，阻尼振蕩很快就會(huì)停止。當(dāng)輸入電壓對(duì)分布電容Cs充滿電后，輸入電壓就完全加到勵(lì)磁電感的兩端。如果是反激式開關(guān)電源，流過(guò)勵(lì)磁電感的電流將隨時(shí)間從0開始線性增加；如果是正激式開關(guān)電源，流過(guò)勵(lì)磁電感的電流將隨時(shí)間按梯形波曲線增長(zhǎng)。
在開關(guān)管Q1導(dǎo)通期間，由于開關(guān)管的導(dǎo)通內(nèi)阻非常小，分布電容Cds基本上是不起作用的。當(dāng)開關(guān)管Q1由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管漏極和源極之間的分布電容Cds將被接入電路中，分布電感Ls和勵(lì)磁電感將同時(shí)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，并分別對(duì)分布電容Cds和Cs進(jìn)行充、放電，電容與電感在交替進(jìn)行能量交換的過(guò)程中，將產(chǎn)生串、并聯(lián)振蕩。
但由于勵(lì)磁電感的時(shí)間常數(shù)比Ls、Cs和Cds的時(shí)間常數(shù)大好多，因此，在產(chǎn)生振蕩的過(guò)程中，主要由Ls、Cs和Cds三者產(chǎn)生作用。另外，在開關(guān)管開始關(guān)斷期間，由于Cds實(shí)際上是一個(gè)阻抗由小到大，其阻抗變化過(guò)程類似于電容充電的可變電阻，它只吸收能量，而不會(huì)釋放能量。因此，它在產(chǎn)生振蕩的過(guò)程中，只對(duì)充電曲線的上升速率起影響，而對(duì)放電曲線的下降速率不起影響。
在下一講，陶老師將利用波形來(lái)具體分析開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，漏感及分布電容的工作過(guò)程，敬請(qǐng)期待......
