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陶老師談技術(shù)之二:關(guān)于開關(guān)電源變壓器需做電流迭加測試的說明(三)

發(fā)布時間:2009-03-27

中心議題:
  • 開關(guān)變壓器伏秒容量的意義
  • 開關(guān)變壓器伏秒容量測量舉例
解決方案:
  • 行掃描回掃變壓器(高壓包)伏秒容量測定
  • 電視機(jī)的行推動變壓器伏秒容量測定
  • 開關(guān)電源變壓器伏秒容量測定

開關(guān)變壓器伏秒容量的意義

開關(guān)電源變壓器或儲能電感線圈的極限伏秒容量VTmax參數(shù),其實與晶體管的最大集電極電壓BVceo參數(shù)一樣重要。在晶體管放大電路中,當(dāng)晶體管集電極與發(fā)射極兩端的電壓超過最大集電極電壓BVceo,晶體管就會被擊穿損壞。同樣,在開關(guān)電源中,當(dāng)施加于開關(guān)電源變壓器的伏秒容量(電壓幅度與時間長度)超過極限伏秒容量VTmax時,開關(guān)電源變壓器也要損壞,并且還會損壞電源開關(guān)管。

開關(guān)變壓器伏秒容量的意義相當(dāng)于圖9中矩形的面積,面積的兩條邊分別由開關(guān)變壓器的工作電壓(直流脈沖幅度)V和通電持續(xù)時間T(脈沖寬度)的乘積組成。其極限伏秒容量相當(dāng)于黃色區(qū)域部分的面積,綠色區(qū)域部分相當(dāng)于開關(guān)變壓器正常工作時伏秒容量的面積。

不過這里還應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出,只要伏秒容量的面積沒有超出極限伏秒容量的面積,V或T任何一條邊分別都可以超出圖9中所示V或T邊上的長度。
結(jié)合圖8和圖9,我們可以看出,開關(guān)變壓器平時工作時,流過開關(guān)變壓器線圈的最大工作電流為圖中 ,或開關(guān)脈沖的寬度為 是最好的。


在圖8中,當(dāng)流過開關(guān)變壓器線圈的最大工作電流為圖中 時,變壓器線圈的電感量為最大值 ;此種情況下,變壓器的工作效率最高,因為,此時變壓器鐵芯損耗與變壓器線圈損耗的乘積最?。ù艤p耗與勵磁電流的大小成正比,渦流損耗與磁通密度增量的平方成正比;銅阻的損耗與導(dǎo)線的長度成正比);并且,變壓器的伏秒容量VTb與極限伏秒容量VTmax還有很大的安全距離。

目前,一般開關(guān)電源變壓器還都大量選用鐵氧體磁芯,這種鐵氧體磁芯的磁飽和磁通密度Bs一般為4500~5000高斯,因此,根據(jù)圖8所示,可以看出,開關(guān)電源變壓器工作時,其鐵芯的最佳磁通密度Bb大約為磁飽和磁通密度Bs的一半左右,即:Bb = 2300~2500高斯。當(dāng)進(jìn)行開關(guān)電源和變壓器設(shè)計時,即:用(4)式來計算變壓器初級線圈的時候,公式中的最大磁通密度Bm最好不要超過2500高斯。

另外,鐵氧體磁芯的居里溫度也比較低,一般都在120℃左右,因此,對開關(guān)變壓器進(jìn)行質(zhì)量檢查的時候,居里溫度參數(shù)也是一項重要內(nèi)容。[page]

開關(guān)變壓器伏秒容量測量舉例

上面我們已經(jīng)分析開關(guān)變壓器伏秒容量的意義和測量方法,下面我們再進(jìn)一步舉例來詳細(xì)分析開關(guān)變壓器伏秒容量的測量方法。

例1:電視機(jī)中使用的行掃描回掃變壓器,簡稱高壓包,其工作原理也屬于反激式開關(guān)電源變壓器,其初級線圈的電感量為6毫亨,工作電壓一般為120V,正程掃描時間(脈沖寬度) 為52 ,逆程掃描時間為12 。

為此,我們可以根據(jù)(8)式,先計算流過高壓包初級線圈的最大電流Im,然后再求其極限電流Imax的值,即:測試時選用迭加電流的值。

把已知參數(shù)代入(8)式:

即:

根據(jù)圖8和圖9,正常工作時,流過高壓包初級線圈的最大電流Im不應(yīng)該超過極限電流值Imax的70%,由此,可以求得流過高壓包初級線圈的極限電流Imax為1.49 A 。

上面計算出來的極限電流Imax值,就是用來測試高壓包初級線圈的迭加直流電流的數(shù)值。根據(jù)圖7,把恒流源的電流設(shè)置為1.49 A,即:測試高壓包初級線圈的迭加直流電流為1.49 A,然后測試高壓包初級線圈的電感;如果測試結(jié)果Lx的數(shù)值等于或者大于初始電感L0的90%,則說明,高壓包初級線圈的伏秒容量設(shè)計是合格的;如果測試結(jié)果Lx小于初始電感L0的90%,則說明,高壓包初級線圈的伏秒容量余量非常小,不合格。

這里順便說明,采用圖7測試時應(yīng)該注意的地方。圖7中,隔離電感LT的數(shù)值要求是測試電感Lx數(shù)值的3倍以上,一般可選取20毫亨矽鋼片直流電感,電感的鐵芯要留有氣隙;恒流電源可用一個穩(wěn)壓電源與一個大功率電阻串聯(lián)代替,如圖10,或用一個穩(wěn)壓電源與一個大功率晶體放大器串聯(lián)來代替,如圖11。





在圖10中,E為穩(wěn)壓電源,R為大功率電阻,阻值范圍在1~10歐姆比較合適,阻值太大損耗功率會很大;調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的電壓輸出,就可以調(diào)節(jié)迭加電流的大小。

在圖11中,E為穩(wěn)壓電源,Rx為可調(diào)電阻,Q為晶體管大功率放大器(必須帶散熱片);調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的電壓輸出,或改變可變電阻的阻值,就可以改變迭加電流的大小,但晶體管大功率放大器集電極與發(fā)射極之間的電壓降不要大于10V,否則,晶體管大功率放大器的損耗將很大。一般穩(wěn)壓電源都有電流輸出指示,所以在測試電路中不需要另外安裝電流表。[page]

這里特別指出,在測試高壓包初級線圈的初始電感L0的時候,高壓包的鐵芯必須要退磁,否則,測試結(jié)果將不準(zhǔn)確。
高壓包退磁的方法是用一個20~40歐姆的消磁熱敏電阻(可用兩個消磁熱敏電阻串聯(lián))與高壓包初級線圈串聯(lián),然后接到110~220V/50Hz交流電源上,大約需要20多秒鐘,待消磁熱敏電阻完全加熱后,即可達(dá)到退磁的目的,如圖13所示。圖13中RT為熱敏電阻,Lx為高壓包初級線圈。一般消磁電流需要達(dá)到極限電流Imax的3~5倍。

另外,迭加電流Imax的值一般是正常工作時流過高壓包初級線圈電流(平均值或有效值)的好幾倍。例如:上例測試的高壓包,正常工作時,其平均電流Ip大約才有0.42 A,但迭加電流Imax的值為1.49 A ;由此求得,迭加電流Imax的值是正常工作時平均電流的3.5倍。一般高壓包初級線圈漆包線的電流密度都小于3A/mm2 ,因此,流過高壓包初級線圈漆包線迭加電流的最大電流密度為10.5 A/mm2 。這個正好同時還可以檢測高壓包初級線圈的線徑的合理性,漆包線在40度溫升的情況下,其最大電流密度大約在13A/mm2左右(直流),因此,通過測量高壓包線圈的溫升就可以知道高壓包線圈的設(shè)計是否合理。



這里順便介紹一下,電流平均值Ip的求法,以及其與最大電流Im和極限電流Imax的關(guān)系。圖12是電流平均值Ip與最大電流Im和極限電流Imax之間的關(guān)系圖。



圖12中,Ip為流過高壓包初級線圈的平均電流, 為正程掃描期間,流過高壓包初級線圈的平均電流; 為正程掃描期間,流過高壓包初級線圈的最大電流; 為正程掃描期間,流過高壓包初級線圈的極限電流; 為正程掃描時間(52 ), 為逆程掃描時間(12 ), 為極限正程掃描時間。

例2:電視機(jī)的行推動變壓器的工作原理也屬于反激式開關(guān)電源變壓器,其初級線圈的電感量大約為20毫亨,其工作電壓一般為一個寬度 = 32 ,幅度為24V的電壓脈沖,即占空比D = 0.5。[page]

我們可以根據(jù)(8)式,先計算流過行推動變壓器初級線圈的最大電流Im,然后再求其極限電流Imax的值,即:測試時選用迭加電流的值。
把已知參數(shù)代入(8)式:


即:

根據(jù)圖8和圖9,正常工作時,流過行推動變壓器初級線圈的最大電流Im,不應(yīng)該超過電流極限值Imax的70%,由此,可以求得流過行推動變壓器初級線圈的極限電流Imax為55 mA 。

上面計算出來的極限電流Imax值,就是用來測試行推動變壓器初級線圈的迭加直流電流的數(shù)值。根據(jù)圖7,把恒流源的電流設(shè)置為55 mA ,即:測試行推動變壓器初級線圈的迭加直流電流為55 mA,然后測試行推動變壓器初級線圈的電感;如果測試結(jié)果Lx等于或者大于初始電感L0的90%,則說明,行推動變壓器初級線圈的伏秒容量設(shè)計是合格的;如果測試結(jié)果Lx小于初始電感L0的90%,則說明,行推動變壓器初級線圈的伏秒容量余量非常小,不合格。

這里順便說明一下,行推動變壓器的占空比與行掃描回掃變壓器(高壓包)的占空比是不相同的,行掃描回掃變壓器(高壓包)有一部分時間工作于諧振狀態(tài)(偏轉(zhuǎn)線圈與逆程電容產(chǎn)生諧振),因此,行掃描回掃變壓器相當(dāng)于同時受到兩個開關(guān)進(jìn)行控制,其工作時間相對比較長。

另外,在測試行推動變壓器初級線圈的初始電感L0的時候,行推動變壓器的鐵芯也必須要退磁,否則,測試結(jié)果不準(zhǔn)確。
行推動變壓器的退磁方法與高壓包的退磁方法有一點不同,由于容許流過行推動變壓器的初級線圈的電流比較小,因此,在消磁電路中需要限流。

具體方法是,先用一個零點幾法拉的電容與行推動變壓器的初級線圈串聯(lián),然后再與一個幾微法的電容并聯(lián),最后再與一個20~40歐姆的消磁熱敏電阻(可用兩個消磁熱敏電阻串聯(lián))串聯(lián)。退磁時把電路接到110~220V/50Hz交流電源上,大約需要20多秒鐘,待消磁熱敏電阻完全加熱后,即可達(dá)到退磁的目的,如圖14所示。

圖14中RT為熱敏電阻,Lx為行推動變壓器的初級線圈,C1為分流電容,C2為限流電容。電容C1和C2的大小,需根據(jù)行推動變壓器初級線圈勵磁電流的大小來決定。一般消磁電流需要達(dá)到極限電流Imax的3~5倍。



例3:電視機(jī)開關(guān)電源一般都是調(diào)寬式反激式開關(guān)電源,它有兩種工作方式,一種是調(diào)寬又調(diào)頻工作方式;另一種是工作頻率不變只調(diào)寬工作方式。前一種工作方式多在自激式開關(guān)電源中使用,后一種工作方式多在集成電路他激式開關(guān)電源中使用。

設(shè)一個100W電視機(jī)開關(guān)電源使用的開關(guān)電源變壓器,其初級線圈的電感量為1毫亨,其最高工作電壓為360V,最低工作電壓為110V。由于開關(guān)管的耐壓一般最高只有600V,并且還要預(yù)留最少20%的余量,因此,在最高工作電壓和負(fù)載最重的狀態(tài)下,開關(guān)電源的占空比最大只能取0.25,即:D = 0.25 ;當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載為最重的時候,占空比也處于最大值。設(shè)開關(guān)電源的工作頻率為40kHz,當(dāng)占空比為最大值時電源開關(guān)管導(dǎo)通時的脈沖寬度 = 6.25 。

根據(jù)上面已知參數(shù)我們可以根據(jù)(8)式來計算流過開關(guān)電源變壓器初級線圈的最大電流Im,然后再求其極限電流Imax的值,即:測試時選用迭加電流的值。
把已知參數(shù)代入(8)式:


即:


根據(jù)圖8和圖9,正常工作時,流過開關(guān)電源變壓器初級線圈的最大電流Im,不應(yīng)該超過電流極限值Imax的70%,由此,可以求得流過開關(guān)電源變壓器初級線圈的極限電流Imax為3.21 A 。

上面計算出來的極限電流Imax值,就是用來測試開關(guān)電源變壓器初級線圈的迭加直流電流的數(shù)值。根據(jù)圖7,把恒流源的電流設(shè)置為3.21 A ,即:測試開關(guān)電源變壓器初級線圈的迭加直流電流為3.21 A,然后測試開關(guān)電源變壓器初級線圈的電感;如果測試結(jié)果Lx等于或者大于初始電感L0的90%,則說明,開關(guān)電源變壓器初級線圈的伏秒容量設(shè)計是合格的;如果測試結(jié)果Lx小于初始電感L0的90%,則說明,開關(guān)電源變壓器初級線圈的伏秒容量余量非常小,不合格。[page]

順便說明,開關(guān)電源變壓器的伏秒容量不但與工作電壓有關(guān),而且還與開關(guān)電源的占空比有關(guān),即:與脈沖寬度有關(guān)。
假設(shè)其它參數(shù)不變,而把工作電壓由360V降為110V時,開關(guān)電源的最大占空比可取值為0.7708,即:D = 0.7708 。當(dāng)開關(guān)電源的工作頻率為40kHz時,電源開關(guān)管導(dǎo)通時的脈沖寬度 = 19.27 ,由此可以求得流過開關(guān)電源變壓器初級線圈的最大電流Im為:


比較(14)和(15)式可以看出,雖然開關(guān)電源變壓器的工作電壓不同,但兩式最大工作電流Im以及極限電流Imax基本上是一樣的。值得注意的是,雖然他們的最大電流值基本相同,但它們的平均電流值卻不一樣。前者的平均電流為0.281A,后者的平均電流為0.817A 。因此,在選取變壓器初級線圈漆包線粗細(xì)的時候,一定要按平均電流的大小來選取。由此可知,一個雙電壓開關(guān)電源(110V/220V),其工作效率要比單電壓開關(guān)電源低,因為,雙電壓開關(guān)電源銅損要比較單電壓開關(guān)電源大。

開關(guān)電源變壓器的退磁方法與高壓包的退磁方法基本相同,請參考圖13。一般消磁電流需要達(dá)到極限電流Imax的3~5倍。

總 結(jié)
a.開關(guān)電源變壓器的伏秒容量VT等于工作電壓與脈沖寬度的乘積,由(5)式表示。



伏秒容量VT是表征開關(guān)電源變壓器工作時不產(chǎn)生磁飽和或變壓器鐵芯不會工作于磁飽和區(qū)的重要參數(shù)。正常工作時,開關(guān)電源變壓器的伏秒容量VT不應(yīng)該超出開關(guān)電源變壓器的極限伏秒容量VTmax 。

極限伏秒容量VTmax的定義是,讓開關(guān)電源變壓器的初級線圈通過一個直流,當(dāng)流過開關(guān)電源變壓器初級線圈的電流,使開關(guān)電源變壓器初級線圈的電感量Lx下降到初始電感量L0值的90%時,此時流過開關(guān)電源變壓器初級線圈電流的數(shù)值,就定義為開關(guān)電源變壓器初級線圈的極限電流Imax,對應(yīng)變壓器鐵芯中的磁通密度(磁感應(yīng)密度)稱為極限磁通密度Bmax;對應(yīng)開關(guān)電源變壓器的伏秒容量,稱為開關(guān)電源變壓器的極限伏秒容量VTmax。

對開關(guān)電源變壓器的極限伏秒容量VTmax進(jìn)行測試,可采用圖7、圖10、圖11所示的方法進(jìn)行,即:采用電流迭加的方法進(jìn)行測量。

b.測試開關(guān)電源變壓器的極限伏秒容量VTmax迭加電流的大小,由(8)式求得。


由(8)式計算出,在某工作電壓E和對應(yīng)的脈沖寬度 的條件下,流開關(guān)電源變壓器初級線圈的最大電流Im,然后乘以一個安全系數(shù)1.43,即可求得流開關(guān)電源變壓器初級線圈的極限電流Imax。此極限電流Imax就是用來測試開關(guān)電源變壓器極限伏秒容量時使用的迭加電流。Imax = 1.43Im;或 Im = 0.7 Imax

c.開關(guān)電源變壓器工作電壓的脈沖寬度 ,可由開關(guān)電源在某工作電壓狀態(tài)下(最高或最低),對應(yīng)的占空比D求得。下面(16)式和(17)式是計算脈沖寬度 和占空比D的關(guān)系式:




(16)式中,D為開關(guān)電源工作時的占空比,Dm為開關(guān)電源工作時的最大占空比, 為脈沖寬度,T為開關(guān)電源的工作周期,F(xiàn)為工作頻率,E為開關(guān)電源的工作電壓, 為電源開關(guān)管集電極(或漏極)的最大工作電壓。一般 最多只能取電源開關(guān)管最大耐壓值 的80% ,即選用電源開關(guān)管時,其耐壓要留有20%的余量。

d.對于高壓包以及行推動變壓器,由于其工作電壓和脈沖寬度基本上都是不變的,因此,對高壓包以及行推動變壓器伏秒容量的計算或測試,相對來說比較簡單;但對于開關(guān)變壓器的伏秒容量進(jìn)行計算或測試,就比較麻煩。

e.對于開關(guān)電源變壓器伏秒容量的測試,必須結(jié)合具體電路進(jìn)行。首先用示波器測量,在最高輸入電壓和負(fù)載最重的狀態(tài)之下,電源開關(guān)管導(dǎo)通時的脈沖寬度 (或占空比D);然后測試電源開關(guān)管集電極的最大工作電壓 ,并且要求 小于電源開關(guān)管最大耐壓值 的80% ;隨后才根據(jù)(8)式計算流過開關(guān)變壓器初級線圈的最大電流Im和極限電流值Imax,最后采用圖7、圖10、圖11的方法來對開關(guān)變壓器的極限伏秒容量VTmax進(jìn)行測量和計算。

順便指出,決定開關(guān)電源占空比D大小的主要因數(shù)是開關(guān)電源的輸入電壓與輸出電壓比Ui:Uo,即:開關(guān)電源變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比n。檢查 的大小,實際上也是檢查開關(guān)電源變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比n是否設(shè)計得合理。此方法的好處是,不但可以對開關(guān)變壓器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測試和監(jiān)控,同時也可以檢查設(shè)計師設(shè)計電路的參數(shù)是否合理。
                                                                                                                                
                                                 不對請指正!——陶顯芳   2008-01-10

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