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1、开关变压器伏秒容量的计算与测量,陶显芳2011.5.28,1,1,2,下面是开关电源设计务必掌握的知识,开关变压器的伏秒容量变压器磁芯的磁化曲线开关变压器初级线圈匝数的计算开关变压器磁芯气隙的选取开关变压器的直流迭加特性,2,希望从事开关电源设计的工程师对此感兴趣,1.概 述,伏秒容量是开关变压器的一个极其重要的参数，但很多人在设计开关变压器的时候都把这个重要参数忽视了。很多人在设计开关变压器的时候，都是根据开关电源的工作频率和输出功率来计算开关变压器的初级线圈电感量，而在实际应用中，这种方法有很大的局限性，因为变压器铁心的导磁率并不是一个常数，它的初始导磁率和有效导磁率相差非常大，即变压器线
2、圈的静态电感量和动态电感量相差很大。如图1所示，图中，B为变压器铁心的初始磁化曲线，为导磁率变化曲线，为励磁电流。另外，单端磁化开关电源变压器一般都需要留气隙，气隙的大小对变压器线圈的电感量影响非常大，因此，有人通过调整气隙的长度来调整变压器线圈的电感量，显然这中方法是错误的。用这种方法设计出来的开关变压器，不是容易出现磁饱和就是初、次级线圈漏感过大，使开关管过流或过压损坏，并且还容易产生EMI干扰和降低工作效率。,3,图1,很多人就是根据（2）式和（3）式来确定开关变压器初级线圈的电感量的。,1.3 开关变压器伏秒容量的定义,根据图2、图3、图4，我们可以列出下面方程式：（4）；式中：（5）
3、对（5）进行积分：（6）；得：（7）（7）式就是我们用来计算开关变压器初级线圈匝数的公式。式中：N1为初级线圈的匝数，E为初级线圈两端的电压（伏），为脉冲宽度（秒），S为变压器磁芯的面积（厘米平方），Bm为最大磁通密度（高斯），Br为剩余磁通密度（高斯），一般带气隙的变压器磁芯取Br=0.20.3 Bm，Br取值大小与气隙长度有关。在这里，我们把（7）式中的脉冲幅度与脉冲宽度的乘积定义为变压器的伏秒容量，即：（8）,6,伏秒容量VT表示：一个开关变压器能够承受多高的输入电压和多长时间的冲击。在开关变压器伏秒容量一定的条件下，输入电压越高，开关变压器能够承受冲击的时间就越短，反之，输入电压越低，
4、开关变压器能够承受冲击的时间就越长；而在一定的工作电压及脉冲宽度条件下，开关变压器的伏秒容量越大，开关变压器的铁芯中的磁通密度就越低，开关变压器铁芯就不容易饱和。如果我们把（8）式的分子和分母都乘以一个电流I，就很容易看出：伏秒容量也是一个物理量，它表示单位电流在开关变压器中存储的能量，或单位电流在开关变压器中所做的功。伏秒容量：单位电流所做的功。由此我们可以看出，用来计算变压器初级线圈匝数的（7）式，其方法就是通过计算单位电流在带磁芯的变压器线圈中存储的能量多少来确定变压器线圈的匝数，即，在电流和磁芯材料参数一定的条件下，变压器线圈的匝数越多，存储的能量就越多。这里需要说明的是，图4中的Bm
5、值与Br值都不是固定的，Bm值的大小取决于励磁电流的大小（与脉冲宽度和电感量有关，而与负载无关），而Br值的大小则取决于流过变压器次级线圈N2的电流（瞬时值），流过N2的电流也称消磁电流，其大小与负载有关。,7,1.4 开关变压器磁芯气隙的选取,9,1.5 开关变压器伏秒容量的测量,图7,开关变压器的伏秒容量可以用直流迭加法来测量，图7是一个对开关变压器进行伏秒容量进行测试的原理图。电流迭加法就是在开关变压器线圈中迭加一直流电流，让开关变压器铁芯进行磁化，然后，对开关变压器的电感量进行测量，从而间接测量开关变压器线圈的最大伏秒容量VTm。VTm的定义是，当迭加直流I使电感LX的电感量减小到初始
6、值L0的0.9倍时，开关电源变压器所对应的伏秒容量VT值。,图中，M为电感测试仪，LT为隔离电感，I为电流源，LX为待测开关变压器初级线圈。LT的电感量必须远远大于被测开关变压器初级线圈的电感量，但如果电流源I是一个理想的恒流源，那么隔离电感LT可以省去。,10,11,图8,13,1.6 开关变压器的安全使用,使用开关电源变压器时，加于开关电源变压器初级线圈的电压和脉冲宽度的乘积，不能超出变压器的最大伏秒容量，最好要留出30%的余量。因为，变压器铁芯的导磁率与工作温度有关，大部分变压器铁芯的居里温度都低于140，当温度大于110时，铁芯的导磁率会明显下降。,图10,1.7 开关变压器设计关键步
7、骤总结,14,附录：开关变压器磁芯气隙最佳选择,15,根据上式，我们的愿望就是在最大磁通密度增量 的条件下，要求平均导磁率 的最大值。在图6-b中，虚线表示变压器铁芯没有气隙时的磁滞回线，实线表示变压器铁芯留有气隙时的磁滞回线，其中磁化曲线o-a为留有气隙铁芯的基本磁化曲线。这里的基本磁化曲线与初始磁化曲线并不完全相同，这里的基本磁化曲线相当于磁化曲线的几何平均值，以便用于分析磁场强度增量 与磁感应密度增量 的关系。显然，对应每一个气隙长度的取值就有一组相应的磁滞回线；但不管气隙长度取得多大，铁芯的最大磁通密度Bm只能达到铁芯磁饱和时对应的Bs值，它不会随着气隙长度 的增长而继续增长；而铁芯的
8、剩余磁通密度Br也不会因气隙长度 增长而大幅度下降。因此，应该有一个最佳值，它应该既要兼顾磁通密度增量 最大的同时，也要兼顾平均导磁率 达到最大的条件。为了求出的最佳 值，我们可以沿着基本磁化曲线o-a不断地画切线，如图中切线o-b；切线与H轴夹角 的正切值 就是此点的导磁率；当切线的相切点位于最大磁通密度增量的二分之一位置上时，这点的正切值 就可以认为等于平均导磁率；由此我们可以看出平均导磁率 总是小于或者等于正切值。,如果我们把最大正切值 对应的磁通密度增量 和磁场强度增量，定义为铁芯的最佳工作点，那么通过切线o-b就可以求出对应的最佳值。可以证明通过原点的切线o-b是正切值最大的切线，因为实际中的基本磁化曲线是不存在的，基本磁化曲线相当于磁化曲线的几何平均值；另外，所定义的最佳工作点实际上就是气隙长度 最小值对应的工作点。,16,17,陶显芳：,
