開關變壓器的伏秒容量與測量

摘要：

伏秒容量表示：一個開關變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時間的沖擊。在開關變壓器伏秒容量一定的條件下，輸入電壓越高，開關變壓器能夠承受沖擊的時間就越短，反之，輸入電壓越低，開關變壓器能夠承受沖擊的時間就越長；而在一定工作電壓的條件下，開關變壓器的伏秒容量越大，開關變壓器鐵芯中的磁通密度就越低，開關變壓器的鐵芯就不容易飽和。
通過對開關變壓器伏秒容量的測量，可以知道開關變壓器的鐵芯是否正好工作于最佳磁通密度的位置上；以及占空比，或者工作頻率，是否取得合理；同時還可以檢查開關變壓器鐵芯氣隙長度取得是否合適。

正文：

長期以來，人們在設計或使用開關變壓器的時候，一般只關心開關變壓器的輸入、輸出電壓、電流的大小，以及電感量等參數(shù)，而很少關心開關變壓器的伏秒容量。其實，開關變壓器的伏秒容量也是一個非常重要的參數(shù)，不過，目前很多人并不十分清楚伏秒容量到底是個什么東西，或者怎樣對伏秒容量進行測試，以及怎樣使用伏秒容量這個參數(shù)。

因此，這里將詳細介紹什么是開關變壓器的伏秒容量，然后再分析怎樣對開關變壓器的伏秒容量進行測量及應用。

一、什么是開關變壓器的伏秒容量

圖1是反激式開關電源的工作原理圖，目前70%以上的開關電源都是采用反激式開關變壓器輸出電源。所謂反激式開關變壓器輸出電源，就是當開關變壓器的初級線圈正好被直流脈沖電壓激勵時，開關變壓器的次級線圈沒有向負載提供能量輸出，僅在開關變壓器初級線圈的激勵電壓消失之后，開關變壓器鐵芯中存儲的磁能量才通過次級線圈轉(zhuǎn)化成反電動勢向負載提供功率輸出，這種開關電源稱為反激式開關電源。

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

從圖2可以看出，流過開關變壓器的電流只有勵磁電流，即：開關變壓器鐵心中的磁通量全部都是由勵磁電流產(chǎn)生的。如果開關變壓器初級線圈的電感量是恒定的，或開關變壓器鐵芯的導磁率永遠保持不變；那么，當控制開關接通以后，流過開關變壓器初級線圈的勵磁電流就會隨時間增加而線性增加，開關變壓器鐵心中的磁通量也隨時間增加而線性增加。

根據(jù)電磁感應定理：

式中e1為開關變壓器初級線圈產(chǎn)生的電動勢，L1為開關變壓器初級線圈的電感量， ф為開關變壓器鐵心中的磁通量，E為開關變壓器初級線圈兩端的輸入電壓。其中磁通量ф 還可以表示為：

ф＝K×S×B （2）

上式中，k是一個與單位制相關的系數(shù)，S為開關變壓器鐵心的導磁面積，B為磁感應強度，也稱磁通密度，即：單位面積的磁通量。

把（2）式代入（1）式，并進行積分：

（4）式就是計算反激式開關變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中，N1為開關變壓器初級線圈N1繞組的最少匝數(shù)，S為開關變壓器鐵心的導磁面積，單位：平方厘米；Bm為開關變壓器鐵心的最大磁感應強度，單位：高斯；Br為開關變壓器鐵心的剩余磁感應強度，單位：高斯），Br一般簡稱剩磁；τ = Ton，為控制開關的接通時間，簡稱脈沖寬度，或電源開關管導通時間的寬度，單位：秒；E為工作電壓，單位為伏。式中的指數(shù)（k = 108）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），磁感應強度為高斯（Gs），磁通單位為麥克斯韋（Mx）。

（5）式中，E×τ 就是開關變壓器的伏秒容量，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：一個開關變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時間的沖擊。

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

當開關變壓器的鐵芯面積固定以后，開關變壓器的伏秒容量主要就是由磁通增量⊿B（⊿B = Bm－Br）的大小以及開關變壓器初級線圈的匝數(shù)N1來決定。

另外，我們知道，磁感應強度是由磁場強度來決定的，即磁通增量⊿B也是由磁場強度來決定的。如圖3所示。

圖3中，虛線B為開關變壓器鐵芯的初始磁化曲線，所謂的初始磁化曲線就是開關變壓器鐵芯還沒有帶磁，第一次使用時的磁化曲線，一旦開關變壓器鐵芯帶上磁后，初始磁化曲線就不再存在了。因此，在開關變壓器中，開關變壓器鐵芯的磁化一般都不是按初始磁化曲線來進行工作的，而是隨著磁場強度增加和減少，磁感應強度將沿著磁化曲線ab和ba，或磁化曲線cd和dc，來回變化。當磁場強度增加時，磁場強度對開關變壓器鐵芯進行充磁；當磁場強度減少時，磁場強度對開關變壓器鐵芯進行退磁。

磁場強度由0增加到H1，對應的磁感應強度由Br1沿著磁化曲線ab增加到Bm1；而當磁場強度由H1下降到0時，對應的磁感應強度將由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。

如果磁場強度進一步增大，由0增加到H2，則磁化曲線將沿著曲線cd和dc進行，對應產(chǎn)生的磁通增量⊿B2 = Bm2－Br2。
由圖3中可以看出，對應不同的磁場強度，即不同的勵磁電流，磁通變化量也是不一樣的，并且磁通變化量與磁場強度不是線性關系。圖4是磁感應強度與磁場強度相互變化的函數(shù)曲線圖。圖4中，曲線B是磁感應強度與磁場強度對應變化的曲線；曲線 為導磁率與磁場強度對應變化的曲線。其中：

B=μH （6）

由圖4中可以看出，導磁率最大的地方并不是磁感應強度或磁場強度最小或最大的地方，而是位于磁感應強度或磁場強度的某個中間值的地方。當導磁率達到最大值之后，導磁率將隨著磁感應強度或磁場強度增大，而迅速下降；當導磁率下降到將要接近0的時候，我們就認為開關變壓器鐵芯已經(jīng)開始飽和。如圖中Bs和Hs。

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

圖5-b) 中，虛線是沒留有氣隙開關變壓器鐵芯的磁化曲線，實線是留有氣隙開關變壓器鐵芯的磁化曲線；曲線b是留有氣隙開關變壓器鐵芯的等效磁化曲線，其等效導磁率，即曲線的斜率為 tgβ；μa 是留有氣隙開關變壓器鐵芯的平均導磁率；μc 是沒留有氣隙時開關變壓器鐵芯的導磁率。

由圖5可以看出，開關變壓器鐵芯的氣隙長度留得越大，其平均導磁率就越小，而開關變壓器鐵芯就不容易飽和；但開關變壓器鐵芯的平均導磁率越小，開關變壓器初、次級線圈之間的漏感就越大。因此，開關變壓器鐵芯氣隙長度的設計是一個比較復雜的計算過程，并且還要根據(jù)開關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。不過我們可以通過對開關變壓器伏秒容量的測量，同時檢查開關變壓器鐵芯氣隙長度留得是否合適。關于開關變壓器鐵芯氣隙長度的設計，準備留待以后有機會再進行詳細分析。

順便說明，圖4中表示導磁率的 的曲線也不是一成不變的，它受溫度的影響非常大。由于開關變壓器磁芯也是一種半導體材料（金屬氧化物），很多半導體器件就是用金屬氧化物來制造的，如熱敏電阻、場效應管等。半導體材料的特性就是受溫度的影響很靈敏，當溫度上升到一定范圍以后，開關變壓器磁芯的電阻率就會變小，并開始導電。

因此，當溫度升高到一定范圍以后，在開關變壓器磁芯內(nèi)部就會產(chǎn)生很大的渦流損耗，并使鐵芯有效導磁率急速下降。這個使開關變壓器磁芯有效導磁率急速下降的溫度點，我們把它稱為居里溫度點。在實際應用中，我們可以把開關變壓器磁芯有效導磁率下降到最大值的70%時的溫度，定義為居里溫度點。

如圖6所示。圖6是日本TDK公司高導磁率材料H5C4系列磁芯初始導磁率 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，開關變壓器磁芯的使用環(huán)境溫度，對開關變壓器的性能影響是非常大的。但我們在使用開關變壓器的時候，就很少有人去考慮或檢測開關變壓器磁芯的居里溫度。目前，一般開關變壓器還都大量選用鐵氧體磁芯，這種鐵氧體磁芯的居里溫度一般都在120℃左右，因此，我們對開關變壓器進行設計時工作溫度最好不要超過110℃。