自激式开关电源电路分析

根据激励脉冲产生方式不同，开关电源有自激式和他激式之分，图9-6所示是一种典型的变频器采用的自激式开关电源。

图9-5 开关电源三种输入取电方式

自激式开关电源主要由起动电路、自激振荡电路和稳压电路组成,有的电源还设有保护电路。

1.起动电路

R₃₃、R₃₀、R₂₉、R₂₈、R₂₇、R₂₆为起动电阻。

主电路530V的直流电压经插件19CN送入开关电源,分作两路:一路经开关变压器TC2的L₁绕组送到开关管Q₂的c极,另一路经起动电阻R₃₃、R₃₀、R₂₉、R₂₈、R₂₇、R₂₆降压后为Q₂提供b极电压,Q₂开始导通,有I_b、I_c电流产生,起动完成。

2.自激振荡电路

由反馈元件R₃₂、D₈、C₂₃和反馈线圈L₂组成正反馈电路,它们与开关管Q₂及开关变压器L₁绕组一起组成自激振荡电路。

自激振荡过程如下:起动过程让开关管Q₂由开机前的截止进入放大状态,Q₂有I_c电流流过,该I_c电流在流经开关变压器TC2的L₁绕组时,L₁会产生上正下负的电动势E₁阻碍电流,该电动势感应到反馈绕组L₂,L₂上电动势为E₂,其极性为上正下负,L₂的上正电压通过R₃₂、D₈、C₂₃反馈到开关管Q₂的b极,U_b2升高,I_b2电流增大,I_c2电流也增大,L₁上的电动势E₁增大,L₂上感应电动势E₂增大,L₂上正电压更高,从而形成强烈的正反馈,正反馈过程如下:

正反馈使开关管Q₂由放大迅速进入饱和状态。

Q₂饱和后,I_c2电流不再增大,E₁、E₂电动势也不再增大,L₂上的E₂电动势产生电流流向Q₂发射结,让Q₂维持饱和状态,E₂电动势输出电流的途径为L₂上正→R₃₂→D₈→Q₂发射结→电源地→L₂下负,电流的流出使E₂电动势越来越小,输出电流也越来越小,流经Q₂发射结的I_b2电流也越来越小,当I_b2电流减小I_c2也减小时,即I_b2电流恢复对I_c2电流的控制,Q₂则由饱和退出进入放大,I_c2减小,流过L₁绕组的电流也减小,L₁马上产生上负下正的电动势E′₁,L₂则感应出上负下正的电动势E₂′,L₂的上负电压通过R₃₂、D₈、C₂₃反馈到Q₂的b极,U_b2下降,I_b2电流减小,I_c2电流也减小,L₁上的电动势E′₁增大,L₂上感应电动势E₂′增大,L₂上负电压更低,从而形成强烈的正反馈,正反馈过程如下:

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图9-6 一种典型的自激式开关电源

正反馈使开关管Q₂由放大迅速进入截止状态。

Q₂截止后,E′₁、E₂′电动势也不再增大,L₂上的E₂′电动势产生电流经D₉对电容C₂₃充电,电流途径为L₂下正→电源地→D₉→C₂₃→R₃₂→L₂上负,在C₂₃上充得左正右负,同时,+530V电压也通过起动电阻R₃₃、R₃₀、R₂₉、R₂₈、R₂₇、R₂₆对C₂₃充电,两者充电使C₂₃左正电压逐渐升高,Q₂的U_b2电压也逐渐升高,当U_b2升高到Q₂发射结导通电压时,Q₂由截止转为导通,进入放大状态,又有I_c电流流过开关变压器的L₁绕组,L₁产生电动势E₁,从而开始下一个周期的振荡。

在电路中,开关管Q₂在反馈线圈送来的激励脉冲控制下工作在开关状态,而开关管又参与激励脉冲的产生,这种开关管参与产生激励脉冲而又受激励脉冲控制的开关电源称为自激式开关电源。

在电路工作时,开关变压器TC2的L₁绕组会产生上正下负电动势(Q₂导通时)和上负下正电动势(Q₂截止时),这些电动势会感应到二次绕组L₃~L₆上,这些绕组上的电动势经本路整流二极管对本路电容充电后,在电容上可得到上正下负的正电压或上负下正的负电压,再供给变频器有关电路。

3.稳压电路

输出取样电阻R₁、R₂、三端基准稳压器KA431AZ、光耦合器PC1和绕组L₂、整流二极管D₁、滤波电容C₂₃、脉宽调整管Q₁等元器件构成稳压电路。

在开关电源工作时,开关变压器TC2的L₆绕组上的上正下负感应电动势经二极管D₁₂对电容C₁₄充电,在C₁₄充得+5V电压,该电压经R₂、R₁分压后为KA431AZ的R极提供电压,KA431AZ的K、A极之间导通,PC1内的发光二极管导通发光,PC1内的光敏晶体管也导通,L₂绕组上的上正下负电动势经D₁、R₆、光敏晶体管对C₂₅充电,在C₂₅上得到上正下负电压,该电压送到Q₁基极来控制Q₁的导通程度,进而控制Q₂基极的分流量,最终调节输出电压。

下面以开关电源输出电压偏高来说明稳压工作原理。

如果开关电源输入电压升高,在稳压调整前,各输出电压也会升高,其中C₁₄两端+5V电压也会上升,KA431AZ的R极电压上升,K、A极之间导通变深,流过PC1内部发光二极管的电流增大,PC1内部的光敏晶体管导通加深,L₂上的电动势经D₁、PC1内部光敏晶体管对C₂₅充电电阻变小,C₂₅上充得的电压更高,Q₁因基极电压上升而导通更深,对Q₂基极分流更大,在Q₂饱和时由L₂流向Q₂基极维持Q₂饱和的I_b电流减小很快(L₂输出电流一路会经Q₁构成回路),Q₂饱和时间缩短,L₁绕组流过电流时间短而储能减小,在Q₂截止时L₁产生的电动势低,L₆等各二次绕组上的感应电动势下降,各输出电压下降,回到正常值。

4.其他元器件及电路说明

R₃₁、D₇、C₂₄构成阻尼吸收电路,在Q₂由导通转为截止瞬间,L₁会产生很高的上负下正的反峰电压,该电压易击穿Q₂,采用阻尼吸收电路后,反峰电压经D₇对C₂₄充电和经R₁₁构成回路而迅速降低。D₁₁、C₁₉、C₁₇等元器件构成电压检测取样电路,L₆绕组的上负下正电动势经二极管D₁₁对C₁₇充得上负下正约-42V电压,送到控制系统作为电压检测取样信号,当主电路的直流电压上升时,开关电源输入电压上升,在开关管Q₂导通时L₁绕组产生的上正下负电动势就更高,L₆感应得到的上负下正电动势更高,C₁₇上充得的负压(上负下正电压)更低,控制系统通过检测该取样电压就能知道主电路的直流电压升高,该电压检测取样电路与开关电源其他二次整流电路非常相似,但它有一个明显的特点,就是采用容量很小的无极性电容作为滤波电容(普通的整流电路采用大容量的有极性电容作滤波电容),这样取样电压可更快响应主电路直流电压的变化,很多变频器采用这种间接方式来检测主电路的直流电压变化情况。