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反射电压是什么?

作者:杨静姿发布时间:2021-07-04 19:44:44

我以前做过隔离式的POE模块,其电路实际就是个反激式开关电源。只不过其输入电压范围比较低,为44V-57V。

电路如下图,就是个flyback

可以看到,电路中有个钳位电路,用来抑制电压尖峰,就在初级线圈那里。

问题

抑制尖峰通常有2种电路,一种叫RCD钳位,另外一种是用TVS管+二极管钳位

这两种实际中都有用,今天我不想讨论它们的区别,只想说明一个问题:

为什么不能只用一个二极管搞定?像继电器电路那样?不也能抑制尖峰吗?

答案自然是不行的,如果用一句话解释为什么不行,那就是因为存在反射电压

那么什么是反射电压呢?

反射电压

如果我们从能量的角度来看,反射电压,其实就比较简单了。

图中我将变压器画成含磁芯的,这样更接近容易理解,下面看看开关过程。

1、在开关接通的时候

初级线圈电流慢慢增大,变压器的磁芯中磁通量也慢慢增大,也就是说来自源端的电能慢慢变成磁场能量

从同名端可以知道,初级电压是上正下负,所以次级是上负下正,所以此时次级线圈二极管反向截止,次级相当于开路,电流为0。

电流为0又说明什么呢?

说明变压器上面虽然次级挂了线圈,但是既不会通过次级线圈往外释放能量,也不会存储能量。所以次级线圈对初级的线圈的充电完全没有任何影响,可以当次级线圈不存在(当然前提是忽略其它寄生参数的影响,现在的电路模型中各个元器件看作是理想的)。

我们去掉次级线圈,再看看变压器,只剩下了初级线圈,这不就是个电感吗?

所以呢,此时整个变压器就相当于是一个电感了,充入的能量为1/2*L*I^2。L为变压器的初级电感。

好吧,我居然一不小心说明了为啥反激式变压器就是一个电感。。。

2、开关断开瞬间

开关断开,那么初级线圈电流马上变为0(不考虑漏感及其它寄生参数)。

我们常说电感电流不能突变,那现在岂不是突变了吗?那还玩个屁?

先说明一点,我们常说电感电流不能突变,电容电压不能突变。这是个结论,又是怎么来的呢?

我觉得更本质的原因应该是说能量不能凭空消失,只能相互转化,从一种能量转化为另外一种能量

电感通了电流,就有了磁场能,能量大小是1/2*L*I^2。如果电感电流很快变为0,那意味着磁场能很快没有了,那一定是转化为别的能量,一般来说就是电场能了。

在没有专门泄放路径的情况下,磁场能量只能转存在寄生电容里面。既然是寄生电容,那电容C就很小,所以根据电场能公式1/2*C*U^2,如此,便导致电压U非常大

或者更准确的说,是电感会找到电容,形成新的放电回路,这样就形成了LC电路荡起来了啦,能量在L和C之间倒腾来倒腾去,而这个过程中会存在电压尖峰(会存在一个时刻,电感存的能量为0,能量全在电容里面,此时电压最高)。

当然了,因为实际都不是超导体,肯定有R存在,部分能量变为热能了,所以振荡的峰值也就越来越低了。

注:上面的说法仅仅是举个例子,实际电路中各种各样,电容并不一定是电感的寄生电容,而可能是其他器件的。

同理,电容电压不能突变也可以这么理解。

回到正题,开关断开,此时变压器发生了什么呢?

开关断开,初级线圈电流为0,此时磁芯中的磁场能该何去何从呢?

其实并不需要瞬间将磁场能释放到0,因为有次级线圈的存在

因为初级线圈和次级线圈是绑在一个磁芯上面的,所以一开始初级线圈通电时,产生的磁通量也全部会穿过次级线圈(忽略漏感)。

而初级线圈突然断电,此时磁芯中的磁场能怎么办呢?又不能凭空消失,是产生高压变成电场能吗?

往哪里转移我们先不管,总之一点就是,没有了电源来输入,并且初级线圈已经没电流啦,它不能成为磁场能持续存在的原因,所以变压器一定想办法找其它原因来保持住自己的磁场能。

在找到磁场能保持住的原因之前,磁场能肯定是减小的,因为还没找到保持住的原因嘛。

所以磁芯中的磁通量是往磁通量减小的方向变化

根据电磁感应定律,磁通量减小,在次级线圈上面感应到上正下负的电压,那这个电压是多少呢?

一方面,这个二极管是一定要导通的。

因为如果二极管不导通,那么次级线圈就没有电流存在,而初级线圈也没有电流存在,也就是说还没找到磁场能保持住的原因(电流是磁场存在的原因),所以磁通量还得降,电压进一步升高。

另一方面,在次级线圈上面感应的电压不可能很大

在电压大到一定值的时候,那么二极管一定会导通,这样次级线圈就形成了电流回路。

如此一来,次级线圈中就有了电流,磁场能量保持住的原因就有了---次级线圈电流。既然磁场能存在的方式有了,那么就不用再升高电压了。

因为接着升高电压,那么电流会很大,因为我们讨论的是一瞬间的事情,电容相当于短路的。

电流很大,那么磁芯中的磁场能根据公式1/2*L*I^2也会非常大(这里的L是次级线圈电感)。显然这是不可能的,磁场能量不会变得比开关断开之前还多

所以次级线圈的电压就是Vout+Vd,不会是无穷大。二极管处于导通的状态电压就不会再升了,电流可以根据W0=1/2*L*I^2计算出来初始值,这里的L为次级线圈的电感量,W0为开关断开时磁芯中的磁场能量。

以上的表述只是一个因果关系,实际这就是一个瞬间的过程

所以,开关断开时,原本由初级线圈电流产生的磁场能量,瞬间由次级线圈中的电流接管,它们是无缝链接的

如果只看这一瞬间,磁芯中的磁场能量并没有立即转化成别的能量,只是成因从初级线圈变成了次级线圈,初级线圈电流突变为0,次级线圈电流突然就有了。

3、开关断开后的一段时间

随后磁场能量被次级的负载慢慢消耗,同时也给电容充电,只要磁场能量不为0,那么次级线圈就必须有电流存在(因为电流是磁场存在的原因)。因此,在下一次开关接通之前,次级线圈的电压基本就是Vout+Vd保持不变

也就是说,开关断开后,在下一次开关接通之前,次级线圈的电压都是Vout+Vd。

这个电压是怎么产生的呢?是由于磁芯中磁通量的减小感应出的。

初级线圈和次级线圈绕在同一个磁芯上面。次级线圈感应出的电压是Vout+Vd,根据匝数比,那么初级线圈感应出的电压就是:

U初=N*(Vout+Vd)N为匝数比。

没错,这玩意就是反射电压

问题答案

花了大量的篇幅讲了反射电压,这跟前面的问题有什么关系吗?

初级线圈的尖峰抑制电路如果只用一个二极管为什么不行?

其实理解了前面的内容,这个问题就很容易了。

如果我们直接接一个二极管,那么在次级线圈感应出的电压达到Vout+Vd之前,初级线圈感应的电压已经让二极管导通了。

因为次级电压只要达到了(1/N)*Vd,初级电压就能达到Vd,初级二极管就导通了。磁场能量已经找到了释放的突破口(通过初级的二极管形成的电流回路),将会全部从这个二极管释放掉,次级线圈的电压根本就达不到Vout+Vd。

也就是说次级线圈的二极管根本就不会导通,次级线圈电流一直为0,最终的结果可想而知,这个电源要是能用也是见鬼了。

所以,在次级二极管导通之前,初级线圈一定不能提前形成较大的电流通路,不然能量都被初级消耗掉了,还如何传递给后级负载呢?

特别是使用TVS管的电路,TVS管的击穿电压一定不能太低,决不能低于反射电压

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