開關(guān)電源原理與設(shè)計（連載77）

2-1-22．開關(guān)變壓器伏秒容量的測量

前面我們已經(jīng)對變壓器伏秒容量的概念有了一個比較初步的認識，為了加深對開關(guān)變壓器伏秒容量的理解，下面我們還要對開關(guān)變壓器伏秒容量的概念進一步進行詳細分析。從原理上說，開關(guān)變壓器的伏秒容量與開關(guān)變壓器的功率容量一樣重要，甚至比開關(guān)變壓器的功率容量還要重要，因為，當開關(guān)變壓器的工作電壓或脈沖寬度超過開關(guān)變壓器的伏秒容量的時候，開關(guān)變壓器初級線圈的電感量就會飽和，其電感量在很短的時間內(nèi)就會下降到接近0值，使電路中的電流迅速增加，致使電源開關(guān)管在瞬間就會過流損壞，與此同時，開關(guān)變壓器以及電路中的其它元件在很短的時間內(nèi)也過流或過壓損壞。

但由于長期以來，人們對變壓器的認識主要還是停留在正弦波變壓器的概念上，對開關(guān)變壓器的認識也只關(guān)心其電感量以及輸入、輸出電壓和電流等參數(shù)的大小，對脈沖變壓器的概念認識也很少，因此，很多人對開關(guān)變壓器伏秒容量的概念知之甚少，不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)。其實，開關(guān)變壓器的伏秒容量也是一個非常重要的參數(shù)。

2-1-22-1．什么是開關(guān)變壓器的伏秒容量

伏秒容量也是一個物理量，它表示單位電流在開關(guān)變壓器中存儲的能量，或單位電流在開關(guān)變壓器中所做的功，即：

VT=W/I （2-141）

（2-141）式中，VT為伏秒容量，單位為伏?秒；W為功，W單位為焦耳，或瓦特?秒；I為電流強度，單位為安倍。

這里我們以反激式開關(guān)電源的工作原理為例，詳細分析開關(guān)變壓器伏秒容量的應(yīng)用。圖2-48是反激式開關(guān)電源的工作原理圖，目前70%以上的小功率開關(guān)電源都是采用反激式開關(guān)變壓器輸出電源。所謂反激式開關(guān)變壓器輸出電源，就是當開關(guān)變壓器的初級線圈正好被直流脈沖電壓激勵時，開關(guān)變壓器的次級線圈沒有向負載提供能量輸出，僅在開關(guān)變壓器初級線圈的激勵電壓消失之后，開關(guān)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(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。

圖2-48 反激式開關(guān)電源的工作原理圖/

在圖2-48中，當輸入電壓E加于開關(guān)變壓器初級線圈N1的兩端時，由于開關(guān)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(guān)變壓器相當于一個電感L1。其等效電路如圖2-49-a) 所示，圖2-49-b) 是開關(guān)接通時，電感兩端的電壓和流過電感L1的電流。

圖2－49 反激式開關(guān)電源的 等效電路

從圖2-49可以看出，流過開關(guān)變壓器的電流只有勵磁電流，即：開關(guān)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(guān)變壓器初級線圈的電感量是恒定的，或開關(guān)變壓器鐵芯的導磁率永遠保持不變；那么，當控制開關(guān)接通以后，流過開關(guān)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(guān)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(yīng)定理：

e1 = L1di/dt = N1dφ/dt = E —— K接通期間 （2-142）

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

φ= k×S×B （2-143）

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

把（2-143）式代入（2-142）式，并進行積分：

（2-145）式就是計算反激式開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中，N1為開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組的最少匝數(shù)，S為開關(guān)變壓器鐵心的導磁面積，單位：平方厘米；Bm為開關(guān)變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強度，單位：高斯；Br為開關(guān)變壓器鐵心的剩余磁感應(yīng)強度，單位：高斯），Br一般簡稱剩磁；τ = Ton，為控制開關(guān)的接通時間，簡稱脈沖寬度，或電源開關(guān)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(yīng)強度為高斯（Gs），磁通單位為麥克斯韋（Mx）。

（2-146）式中，E×? 就是開關(guān)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。

由于（2-146）式中，磁感應(yīng)強度一般都是取使用范圍的最大值，因此，（2-146）式中的伏秒容量VT也應(yīng)該是表示開關(guān)變壓器伏秒容量的最大值，或額定值，這是使用伏秒容量時應(yīng)該注意的地方。這和使用變壓器的功率時的情況基本是一樣的，即：變壓器的功率一般都指額定輸出功率。

（2-146）式與（2-141）式都是變壓器伏秒容量的表達式，只是具體表示方式有點不同，在這里（2-146）式僅表示反激式開關(guān)變壓器的伏秒容量，而（2-141）式則表示所有開關(guān)變壓器的伏秒容量，所以，（2-141）式的應(yīng)用范圍比（2-146）式更大一些。

從（2-141）式和（2-146）式可以看出，伏秒容量對于開關(guān)變壓器來說，是一個非常重要的物理量，在應(yīng)用中，開關(guān)變壓器的最大伏秒容量還表示：一個開關(guān)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(guān)變壓器伏秒容量一定的條件下，輸入電壓越高，開關(guān)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(guān)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(guān)變壓器的伏秒容量越大，開關(guān)變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強度就越低，開關(guān)變壓器的鐵芯就不容易飽和。