長(zhǎng)期以來(lái)，人們?cè)谠O(shè)計(jì)或使用開關(guān)變壓器的時(shí)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(shí)，開關(guān)變壓器的伏秒容量也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，不過(guò)，目前很多人并不十分清楚伏秒容量到底是個(gè)什么東西，或者怎樣對(duì)伏秒容量進(jìn)行測(cè)試，以及怎樣使用伏秒容量這個(gè)參數(shù)。
因此，這里將詳細(xì)介紹什么是開關(guān)變壓器的伏秒容量，然后再分析怎樣對(duì)開關(guān)變壓器的伏秒容量進(jìn)行測(cè)量及應(yīng)用。
圖1是反激式開關(guān)電源的工作原理圖，目前70%以上的開關(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(dāng)開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流脈沖電壓激勵(lì)時(shí)，開關(guān)變壓器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供能量輸出，僅在開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓消失之后，開關(guān)變壓器鐵芯中存儲(chǔ)的磁能量才通過(guò)次級(jí)線圈轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢(shì)向負(fù)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(dāng)輸入電壓E加于開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1的兩端時(shí)，由于開關(guān)變壓器次級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與流過(guò)二管的電流方向正好相反，相當(dāng)于次級(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(guò)電感L1的電流。
從圖2可以看出，流過(guò)開關(guān)變壓器的電流只有勵(lì)磁電流，即：開關(guān)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)變壓器初級(jí)線圈的電感量是恒定的，或開關(guān)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率保持不變;那么，當(dāng)控制開關(guān)接通以后，流過(guò)開關(guān)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，開關(guān)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：
式中e1為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，L1為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量， ф為開關(guān)變壓器鐵心中的磁通量，E為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈兩端的輸入電壓。其中磁通量ф 還可以表示為：
ф=KB (2)
上式中，k是一個(gè)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(qiáng)度，也稱磁通密度，即：?jiǎn)挝幻娣e的磁通量。
把(2)式代入(1)式，并進(jìn)行積分：
(4)式就是計(jì)算反激式開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中，N1為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組的少匝數(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)變壓器鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：高斯;Br為開關(guān)變壓器鐵心的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：高斯)，Br一般簡(jiǎn)稱剩磁= Ton，為控制開關(guān)的接通時(shí)間，簡(jiǎn)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)(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(zhǎng)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，E×τ 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(lái)表示。
伏秒容量VT表示：一個(gè)開關(guān)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長(zhǎng)時(shí)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(shí)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(shí)間就越長(zhǎng);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通密度就越低，開關(guān)變壓器鐵芯就不容易飽和。
當(dāng)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⊿B(⊿B = Bm-Br)的大小以及開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)N1來(lái)決定。
另外，我們知道，磁感應(yīng)強(qiáng)度是由磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)決定的，即磁通增量⊿B也是由磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)決定的。
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，次使用時(shí)的磁化曲線，一旦開關(guān)變壓器鐵芯帶上磁后，初始磁化曲線就不再存在了。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(lái)進(jìn)行工作的，而是隨著磁場(chǎng)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(lái)回變化。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)開關(guān)變壓器鐵芯進(jìn)行充磁;當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減少時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)開關(guān)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁。
磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度，即不同的勵(lì)磁電流，磁通變化量也是不一樣的，并且磁通變化量與磁場(chǎng)強(qiáng)度不是線性關(guān)系。圖4是磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變化的曲線;曲線 為導(dǎo)磁率與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變化的曲線。其中：
B=H (6)
由圖4中可以看出，導(dǎo)磁率的地方并不是磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度小或的地方，而是位于磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度的某個(gè)中間值的地方。當(dāng)導(dǎo)磁率達(dá)到值之后，導(dǎo)磁率將隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)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)為開關(guān)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)變壓器都要在開關(guān)變壓器鐵芯中間留氣隙。圖5-a) 是中間留有氣隙開關(guān)變壓器鐵芯的原理圖，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(jì)算開關(guān)變壓器鐵芯氣隙長(zhǎng)度的原理圖。
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(shí)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 tgβ;a 是留有氣隙開關(guān)變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率;c 是沒留有氣隙時(shí)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(zhǎng)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(jí)線圈之間的漏感就越大。因此，開關(guān)變壓器鐵芯氣隙長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的計(jì)算過(guò)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。不過(guò)我們可以通過(guò)對(duì)開關(guān)變壓器伏秒容量的測(cè)量，同時(shí)檢查開關(guān)變壓器鐵芯氣隙長(zhǎng)度留得是否合適。關(guān)于開關(guān)變壓器鐵芯氣隙長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備留待以后有機(jī)會(huì)再進(jìn)行詳細(xì)分析。
順便說(shuō)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(lái)制造的，如熱敏電阻、場(chǎng)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，開關(guān)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，在開關(guān)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)使開關(guān)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，我們可以把開關(guān)變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率下降到值的70%時(shí)的溫度，定義為居里溫度點(diǎn)。
由圖6可以看出，開關(guān)變壓器磁芯的使用環(huán)境溫度，對(duì)開關(guān)變壓器的性能影響是非常大的。但我們?cè)谑褂瞄_關(guān)變壓器的時(shí)候，就很少有人去考慮或檢測(cè)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(duì)開關(guān)變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)工作溫度好不要超過(guò)110℃。
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