• 開關(guān)變壓器伏秒容量參數(shù)的考慮和測量

• 伏秒容量VT表示：一個(gè)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時(shí)間的沖擊
  
• 在變壓器伏秒容量一定的條件下，輸入電壓越高，變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短
  
• 反之，輸入電壓越低，變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長
  
• 一定工作電壓條件下，變壓器伏秒容量越大，變壓器鐵芯中磁通密度就越低，變壓器鐵芯就不容易飽和
  
• 變壓器鐵芯的氣隙長度留得越大，其平均導(dǎo)磁率就越小，而變壓器鐵芯就不容易飽和
  
• 但變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率越小，變壓器初、次級(jí)線圈之間的漏感就越大
  
• 在實(shí)際應(yīng)用中，一般把變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率下降到最大值的70%時(shí)的溫度，定義為居里溫度點(diǎn)
  
• 對(duì)開關(guān)電源變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)工作溫度最好不要超過110℃
  

編者按：本文是陶顯芳老師專門為進(jìn)行公司內(nèi)部培訓(xùn)而寫的文章。非常感謝陶老師把它拿出來和大家分享。陶老師撰寫文章的初衷是為了提高本公司產(chǎn)品的質(zhì)量水平和提高本公司設(shè)計(jì)人員的業(yè)務(wù)水平；現(xiàn)在我們將它在更大的范圍內(nèi)推廣，相信會(huì)對(duì)提高整個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平帶來幫助。這是一件非常好的事情，再次感謝陶老師。大家看后有疑問可在電子元件技術(shù)網(wǎng)陶老師主持的“電子系統(tǒng)電磁兼容與電路保護(hù)”專家論壇里提出，陶老師會(huì)給大家滿意的答復(fù)。

長期以來，我們公司產(chǎn)品中使用的開關(guān)電源變壓器、行推動(dòng)變壓器、高壓包等等開關(guān)變壓器，在對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)或測試的時(shí)候，只關(guān)心它的電感參數(shù)以及輸入、輸出電壓、電流參數(shù)，而對(duì)于它的伏秒容量參數(shù)就很少有人進(jìn)行考慮和測量。

最近，由于公司部份產(chǎn)品的開關(guān)電源出了故障，才開始意識(shí)到開關(guān)電源變壓器伏秒容量參數(shù)的重要性。因此，這里簡單介紹一下什么是開關(guān)電源變壓器的伏秒容量，然后再分析怎樣對(duì)開關(guān)電源變壓器的伏秒容量進(jìn)行測量，并定義其測量方法。

一、什么是變壓器的伏秒容量
圖1是反激式開關(guān)電源的工作原理圖，我們公司幾乎所有的CRT電視機(jī)都是采用反激式開關(guān)電源。




在圖1中，當(dāng)輸入電壓E加于開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1的兩端時(shí)，由于變壓器次級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢與流過二極管的電流方向正好相反，相當(dāng)于所有次級(jí)線圈均開路，此時(shí)開關(guān)變壓器相當(dāng)于一個(gè)電感L1。其等效電路如圖2-a) 所示，圖2-b) 是開關(guān)接通時(shí)，電感兩端的電壓和流過電感L1的電流。




從圖2可以看出，流過變壓器的電流只有勵(lì)磁電流，變壓器鐵心中的磁通量全部都是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的。如果開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈的電感量是恒定的，或變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率永遠(yuǎn)保持不變；那么，當(dāng)控制開關(guān)接通以后，流過變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流就會(huì)隨時(shí)間增加而線性增加，變壓器鐵心中的磁通量也隨時(shí)間增加而線性增加。根據(jù)電磁感應(yīng)定理：


式中e1為變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢，L1為變壓器初級(jí)線圈的電感量， 為變壓器鐵心中的磁通量，E為變壓器初級(jí)線圈的輸入電壓。其中磁通量 還可以表示為：



上式中，k是一個(gè)與單位制相關(guān)的系數(shù)，S為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，也稱磁通密度，即：單位面積的磁通量。把（2）式代入（1）式，并進(jìn)行積分：



由此求得：

或

（4）式就是計(jì)算反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中，N1為變壓器初級(jí)線圈N1繞組的最少匝數(shù)，S為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積，單位：平方厘米；Bm為變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：高斯；Br為變壓器鐵心的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：高斯），Br一般簡稱剩磁；τ = Ton，為控制開關(guān)的接通時(shí)間，簡稱脈沖寬度，或電源開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的寬度，單位：秒；E為工作電壓，單位為伏。式中的指數(shù)是統(tǒng)一單位用的，選用不同單位制，指數(shù)的值也不一樣，這里選用CGS單位制，即：長度為厘米（cm），磁感應(yīng)強(qiáng)度為高斯（Gs），磁通單位為麥克斯韋（Mx）。

（5）式中， 就是變壓器的伏秒容量，即：伏秒容量等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積，這里我們把伏秒容量用VT來表示。伏秒容量VT表示：一個(gè)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時(shí)間的沖擊。

在變壓器伏秒容量一定的條件下，輸入電壓越高，變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短，反之，輸入電壓越低，變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長；而在一定的工作電壓條件下，變壓器的伏秒容量越大，變壓器的鐵芯中的磁通密度就越低，變壓器鐵芯就不容易飽和。

當(dāng)變壓器的鐵芯面積固定以后，變壓器的伏秒容量主要就是由磁通增量⊿B（⊿B = Bm－Br）的大小以及變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)N1來決定。另外，我們知道，磁感應(yīng)強(qiáng)度是由磁場強(qiáng)度來決定的，即磁通增量⊿B也是由磁場強(qiáng)度來決定的。如圖3所示。圖3中，虛線B為變壓器鐵芯的初始磁化曲線，初始磁化曲線就是變壓器鐵芯還沒有帶磁，第一次使用時(shí)的磁化曲線，一旦變壓器鐵芯帶上磁后，初始磁化曲線就不再存在了。因此，在開關(guān)變壓器中，變壓器鐵芯的磁化一般都不是按初始磁化曲線來進(jìn)行工作的，而是隨著磁場強(qiáng)度增加和減少，磁感應(yīng)強(qiáng)度將沿著磁化曲線ab和ba，或磁化曲線cd和dc，來回變化。當(dāng)磁場強(qiáng)度增加時(shí)，磁場強(qiáng)度對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行充磁；當(dāng)磁場強(qiáng)度減少時(shí)，磁場強(qiáng)度對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁。

磁場強(qiáng)度由0增加到H1，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度由Br1沿著磁化曲線ab增加到Bm1；而當(dāng)磁場強(qiáng)度由H1下降到0時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將由Bm1沿著磁化曲線ba下降到Br1。如果不考慮磁通的方向，磁通的變化量就是⊿B1 ，即磁通增量⊿B1 = Bm1－Br1。如果磁場強(qiáng)度進(jìn)一步增大，由0增加到H2，則磁化曲線將沿著曲線cd和dc進(jìn)行，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的磁通增量⊿B2 = Bm2－Br2。



由圖3中可以看出，對(duì)應(yīng)不同的磁場強(qiáng)度，即不同的磁化電流，磁通變化量也是不一樣的，并且磁通變化量與磁場強(qiáng)度不是線性關(guān)系。圖4是磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度相互變化的函數(shù)曲線圖。圖4中，曲線B是磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變化的曲線；曲線 為導(dǎo)磁率與磁場強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變化的曲線。其中：





由圖4中可以看出，導(dǎo)磁率最大的地方并不是磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度最小或最大的地方，而是位于磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度的某個(gè)中間值的地方。當(dāng)導(dǎo)磁率達(dá)到最大值之后，導(dǎo)磁率將隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度增大，而迅速下降；當(dāng)導(dǎo)磁率下降到將要接近0的時(shí)候，我們就認(rèn)為變壓器鐵芯已經(jīng)開始飽和。如圖中Bs和Hs。

由于導(dǎo)磁率的變化范圍太大，且容易飽和，因此，一般開關(guān)電源使用的開關(guān)變壓器都要在變壓器鐵芯中間留氣隙。圖5-a) 是中間留有氣隙變壓器鐵芯的原理圖，圖5-b) 是中間留有氣隙的變壓器鐵芯的磁化曲線圖，及計(jì)算變壓器鐵芯最佳氣隙長度的原理圖。

圖5-b) 中，虛線是沒留有氣隙變壓器鐵芯的磁化曲線，實(shí)線是留有氣隙變壓器鐵芯的磁化曲線；曲線b是留有氣隙變壓器鐵芯的等效磁化曲線，其等效導(dǎo)磁率，即曲線的斜率為 ； 是留有氣隙變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率； 是沒留有氣隙時(shí)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率。

由圖5可以看出，變壓器鐵芯的氣隙長度留得越大，其平均導(dǎo)磁率就越小，而變壓器鐵芯就不容易飽和；但變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率越小，變壓器初、次級(jí)線圈之間的漏感就越大。因此，變壓器鐵芯氣隙長度的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的計(jì)算過程，并且還要根據(jù)開關(guān)電源的輸出功率以及電壓變化范圍（占空比變化范圍）綜合考慮。比如，對(duì)于行輸出回掃變壓器（高壓包）鐵芯氣隙長度的設(shè)計(jì)就要比主開關(guān)電源變壓器的鐵芯氣隙長度的設(shè)計(jì)容易非常多。

實(shí)際上我們公司使用的開關(guān)電源變壓器基本上沒有人進(jìn)行過氣隙長度的設(shè)計(jì)，而是設(shè)計(jì)師根據(jù)變壓器的功率把變壓器初級(jí)電感量和匝數(shù)比計(jì)算好后，就讓變壓器生產(chǎn)廠自己調(diào)節(jié)變壓器的鐵芯氣隙長度，以此來滿足設(shè)計(jì)師的要求，這種設(shè)計(jì)方法很容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，最大的質(zhì)量問題就是磁芯出現(xiàn)磁通密度飽和。

另外，變壓器磁芯也是一種半導(dǎo)體材料（金屬氧化物），很多半導(dǎo)體器件就是用金屬氧化物來制造的，如熱敏電阻、場效應(yīng)管等。半導(dǎo)體材料的特性就是受溫度的影響很靈敏，當(dāng)溫度上升到一定范圍以后，變壓器磁芯的電阻率就會(huì)變小，并開始導(dǎo)電。

因此，當(dāng)溫度升高到一定范圍以后，在變壓器磁芯內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生很大的渦流損耗，并使鐵芯有效導(dǎo)磁率急速下降。這個(gè)使變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率急速下降的溫度點(diǎn)，我們把它稱為居里溫度點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，一般我們可以把變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率下降到最大值的70%時(shí)的溫度，定義為居里溫度點(diǎn)。如圖6所示。

圖6是日本TDK公司高導(dǎo)磁率材料H5C4系列磁芯初始導(dǎo)磁率 隨溫度變化的曲線圖，其居里溫度大約為105℃。

由圖6可以看出，變壓器磁芯的使用環(huán)境溫度，對(duì)變壓器的性能影響是非常大的。但我們?cè)谑褂瞄_關(guān)電源變壓器的時(shí)候，就很少有人去考慮或檢測變壓器磁芯的居里溫度。大部份開關(guān)電源變壓器磁芯的居里溫度都在120℃左右，因此，我們對(duì)開關(guān)電源變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)工作溫度最好不要超過110℃。