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開關(guān)變壓器的伏秒容量與測量
——陶顯芳老師談開關(guān)變壓器的工作原理與設(shè)計

發(fā)布時間:2014-02-08 來源:陶顯芳老師 責(zé)任編輯:cicy

【導(dǎo)讀】伏秒容量表示: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。

通過對開關(guān)變壓器伏秒容量的測量,可以知道開關(guān)變壓器的鐵芯是否正好工作于最佳磁感應(yīng)強度的位置上;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(guān)變壓器鐵芯氣隙長度取得是否合適。  

長期以來,人們在設(shè)計或使用開關(guān)變壓器的時候,一般只關(guān)心開關(guān)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(guān)心開關(guān)變壓器的伏秒容量。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),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(guān)變壓器的伏秒容量,然后再分析怎樣對開關(guān)變壓器的伏秒容量進行測量及應(yīng)用。

什么是開關(guān)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,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。

在圖1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-a) 所示,圖2-b) 是開關(guān)接通時,電感兩端的電壓和流過電感L1的電流。
 

開關(guān)變壓器的伏秒容量與測量

開關(guān)變壓器的伏秒容量與測量

 

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從圖2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(dǎo)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:
   開關(guān)變壓器的伏秒容量與測量—— K接通期間     (1)
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, 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 還可以表示為:
             
開關(guān)變壓器的伏秒容量與測量(2)
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(dǎo)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)式代入(1)式,并進行積分:
 

(4)式就是計算開關(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(dǎo)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(dǎo)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)。

(5)式中, 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。
伏秒容量VT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;而在一定的工作電壓條件下,開關(guān)變壓器的伏秒容量越大,開關(guān)變壓器的鐵芯中的磁感應(yīng)強度就越低,開關(guān)變壓器鐵芯就不容易飽和。

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

另外,我們知道,磁感應(yīng)強度是由磁場強度來決定的,即磁通增量,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(guān)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(guān)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(guān)變壓器鐵芯帶上磁后,初始磁化曲線就不復(fù)存在了。因此,在開關(guān)變壓器中,開關(guān)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,而是按照一條所謂的“磁滯回線”進行的。

例如,當磁場強度增加時,磁感應(yīng)強度將沿著磁化曲線ab或cd跟隨磁場強度的增加而增加;而當磁場強度減小時,磁感應(yīng)強度將沿著另一條磁化曲線ba或dc跟隨磁場強度的減小而減小。因此,我們把磁化曲線ab、ba或cd、dc稱為磁滯回線。至于磁滯回線是沿著ab、ba進行,還是沿著另一條磁滯回線cd、dc進行,主要取決于磁場強度的變化幅度。

當磁場強度增加時,相當于磁場強度對開關(guān)變壓器鐵芯進行充磁;當磁場強度減少時,相當于磁場強度對開關(guān)變壓器鐵芯進行退磁。磁場強度變化幅度越大,對應(yīng)的磁感應(yīng)強度增量也增加,與此同時剩磁也會增加。

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磁場強度由0增加到H1,對應(yīng)的磁感應(yīng)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(yīng)的磁感應(yīng)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,磁通的變化增量就是,即磁通增量。如果磁場強度進一步增大,由0增加到H2,則磁滯回線將沿著曲線cd、dc進行,對應(yīng)產(chǎn)生的磁通增量 。
 

 開關(guān)變壓器的伏秒容量與測量

由圖3中可以看出,對應(yīng)不同的磁場強度變化量,即不同的勵磁電流變化量,磁感應(yīng)強度變化量或磁通變化量也是不一樣的;因為,磁感應(yīng)強度變化量或磁通變化量與磁場強度變化量并不是線性關(guān)系。
圖4是磁感應(yīng)強度與磁場強度對應(yīng)變化的函數(shù)曲線圖。圖4中,曲線B是磁感應(yīng)強度與磁場強度對應(yīng)變化的曲線;曲線 為導(dǎo)磁率與磁場強度對應(yīng)變化的曲線。其中:

               (6)
 

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

開關(guān)變壓器的伏秒容量與測量

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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)變壓器都要在開關(guān)變壓器鐵芯中間留氣隙。
圖5是分析及計算開關(guān)變壓器鐵芯最佳氣隙長度的原理圖,圖5-a) 是中間留有氣隙開關(guān)變壓器鐵芯的示意圖,圖5-b) 是中間留有氣隙的開關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線圖,及計算開關(guān)變壓器鐵芯最佳氣隙長度的原理圖。
 

開關(guān)變壓器的伏秒容量與測量

 
在圖5-b) 中,虛線是沒留有氣隙開關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線,實線是留有氣隙開關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線;曲線b是留有氣隙開關(guān)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 ; 是留有氣隙開關(guān)變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率; 是沒留有氣隙時開關(guān)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率。

由圖5可以看出,開關(guān)變壓器鐵芯的氣隙長度留得越大,其平均導(dǎo)磁率就越小,而開關(guān)變壓器鐵芯就不容易飽和;但開關(guān)變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率越小,開關(guān)變壓器初、次級線圈之間的漏感就越大。因此,開關(guān)變壓器鐵芯氣隙長度的設(shè)計是一個比較復(fù)雜的計算過程,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)等因素來綜合考慮。不過我們可以通過對開關(guān)變壓器伏秒容量的測量,同時檢查開關(guān)變壓器鐵芯氣隙長度留得是否合適。

關(guān)于開關(guān)變壓器鐵芯氣隙長度的設(shè)計,請參考《2-1-14.開關(guān)變壓器鐵芯氣隙的選取》有關(guān)章節(jié)。

順便說明,圖4中表示導(dǎo)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(guān)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,當溫度上升到一定范圍以后,開關(guān)變壓器磁芯的電阻率就會變小,并開始導(dǎo)電。
因此,當溫度升高到一定范圍以后,在開關(guān)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(dǎo)磁率急速下降。這個使開關(guān)變壓器磁芯有效導(dǎo)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(yīng)用中,我們可以把開關(guān)變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率下降到最大值的70%時的溫度,定義為居里溫度點。
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,開關(guān)變壓器磁芯的使用環(huán)境溫度,對開關(guān)變壓器的性能影響是非常大的。但我們在使用開關(guān)變壓器的時候,就很少有人去考慮或檢測開關(guān)變壓器磁芯的居里溫度。目前,一般開關(guān)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(guān)變壓器進行設(shè)計時工作溫度最好不要超過110℃。
 

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