图解伏秒积安秒积

article/2025/9/14 12:18:32

综合来看比较好

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在大量开关周期中,当开关频率固定时,开关占空比D也保持恒定,例如对n个周期,电流波形和电压波形在每个开关周期是重复的。这就意味着电压波形和电流波形变成周期性波形,周期为T,即i((n+1)T)=i(nT),v((n+1)T)=v(nT),这样的状态就称为稳态。有两个非常重要的原理来描述变换器的稳态工作,那就是电感的伏秒平衡和电容的电荷平衡。这两个特性被用来分析各种开关变换器的稳态工作过程。

1、电感伏秒平衡

当电路处于稳态时,流过电感的电流是周期性的。那么

电感两端的电压可以表示为

在一个开关周期内积分得到

上式中左边为0,那么右边也应该为0,即

这种式子表明在稳态时,电感两端的电压在一个开关周期中积分为零。积分的单位是Vs(伏秒),所以称这个特性为伏秒平衡。直观的分析表明,如果电感两端电压在一个开关周期内的积分不为零,那么电流的幅值会不断增加。最终导致电感饱和。

在PWM调制器中伏秒平衡常体现为下面的形式:

2、电容电荷平衡

电容电荷平衡也可以采用和电感伏秒平衡相似的分析,电容两端的电压和流过电容的电流之间的关系可以表示为

对上式在一个开关周期内进行积分得到

由于上式中左边为0,因此右边也必须为0,即

上式表明在稳态时,流过电容的电流在一个开关周期中的积分为0。积分的单位是As(安秒),所以称这个特性为安秒平衡或电荷平衡。直观的分析表明,如果流过电容的电流在一个开关周期内积分不为0,那么电容电压的幅值会不断增加。最终会超过电容的耐压值,导致电容被损坏。

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《电工学》或者《电路分析》教材中,对电容的定义是这样的,如图(01),满足图(01)式的电路元件,就是电容。式中i和u都是时间t的函数,电容量C是常数。

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图(01)

我们把dt移到左边,如图(02)。

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图(02)

两边对时间积分,积分限从0到t。因为电容量C为常数,所以可提到积分号之外。

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图(03)

我们来看看左边的积分结果和右边的积分结果是什么意思。

左边是通过电容的电流对时间的积分,意思就是电容在0~t这段时间内充或者放的电量,在国际单位制中单位是库仑,也就是安·秒。右边是du对时间的积分,这个积分结果可不是电压,而是在0~t这段时间内电压的增量Δu,也就是这段时间内电容两端电压的变化量。

我们再看看左边积分结果为零意味着什么。左边积分结果为零,右边当然也必须为零。C是不为零的常数,那么右边积分也必须为零,意思就是电压的增量Δu为零。也就是说,电容两端电压没有发生变化,电容恢复到时刻0的状态。

《电工学》或者《电路分析》教材中,对电感的定义如图(04),满足图(04)式的电路元件,就是电感。式中i和u都是时间t的函数

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图(04)

我们把dt移到左边,如图(05)。

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图(05)

两边对时间积分,积分限从0到t。因为电感量L为常数,所以可提到积分号之外。

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图(06)

我们再一次来看看左边的积分结果和右边的积分结果是什么意思。

左边是电感两端的电压对时间的积分,但是物理学中并没有这么一个物理量。没办法,前人并没有考虑到另立一个物理量。但我们知道积分的结果在国际单位制中的单位是伏·秒,所以我们可以给这个积分起个名字叫伏秒积(它就相当于电容中电流对时间的积分,也就是电量,单位是库仑)。右边是di对时间的积分,这个积分结果可不是电流,而是在0~t这段时间内通过电感电流的增量Δ,也就是这段时间内电感中电流的变化量。

我们再看看左边积分结果为零意味着什么。左边积分结果为零,右边当然也必须为零。L是不为零的常数,那么右边积分也必须为零,意思就是电流的增量Δi为零。也就是说,电感中电流没有发生变化,电感恢复到时刻0的状态。

如果图(06)式中左边积分不为零,意味着什么?

如果左边积分不为零,例如我们对电感施加图(07)所示的矩形波脉冲电压,那么每个矩形波之后左边积分就增加一个固定的数量,同时每个矩形波脉冲到来之际电感中电流都会线性增加一个数值。但电感两端电压为零(也就是电感两端短路)那段时间里面电流并不变化(这段时间内左边积分为零)。于是电感中电流就会如图(07)中红色线所示,每个矩形波脉冲都会使电流增加,最后电感中电流上升到可能是很大的数值。电感中电流上升到很大的数值,要么电流与电感铜线电阻之积恰好与电压脉冲数值相等,电流停止上升,要么电流大到使电感烧毁。如果电感是具有铁芯的,那么很大的电流必将使铁芯进入磁饱和状态。

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图(07)

只要把图(07)中电压改成电流,电流改成电压,对电容来说,上述结论仍然适用,即在若干个电流脉冲过后,电容两端电压不断上升,直到电容被击穿。

所以,无论是电容还是电感,要恢复到原来的状态,对电感来说,两端电压对时间的积分必须为零,对电容来说,通过电流对时间的积分必须为零。

这个结论对电子线路中的电感和电容都适用。无论是什么样的电子线路,其中元件必定是要恢复到原始状态的,至少关机一段时间后要恢复到开机前的状态。

电压或者电流波形的横轴是时间,纵轴是电压或者电流。电压或者电流波形与横轴所包围的面积,就是前述电压或者电流对时间的积分。

由此,无论对电感施加什么样的电压波形,包括你可以想像出来的最怪异的波形,其时间轴上方的面积必定与时间轴下方的面积相等。

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图(08)

图(08)就是对称矩形波电压对时间的积分图像。图中黄色部分的面积必定与绿色部分的面积相等。

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图(09)

波形不对称情况呢?波形不对称情况下,电感两端电压对时间积分,亦即横轴上方面积和下方面积仍然相等。

对正弦波、锯齿波……只要是你能够想出来的波形,电感在一定时间后恢复到原始状态,横轴上方和下方的面积必定相等。

换句话说,电感恢复到原始状态,电感两端电压与时间的乘积,也就是伏秒积,一定为零。

我们还知道:电感中电流与电感的磁通量直接相关,对空气芯电感,磁通量与电感中电流成正比,对铁芯电感,磁通量不大时磁通量也和电流成正比。所以上述结果也可以说成是:电感中磁通量恢复到原始状态,电感两端电压与时间的乘积,也就是伏秒积,一定为零。

以上是对电感两端电压伏秒积的分析。对多个绕组的电感——变压器,上述结论仍然适用。因为普通变压器各绕组是绕在同一个铁芯上的。


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