陶顯芳老師談開關(guān)變壓器的工作原理與設(shè)計(jì)之一——開關(guān)變壓器的伏秒容量與測(cè)量
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陶顯芳老師談開關(guān)變壓器的工作原理與設(shè)計(jì)之二——對(duì)開關(guān)變壓器的伏秒容量進(jìn)行檢測(cè)
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陶顯芳老師談開關(guān)變壓器的工作原理與設(shè)計(jì)之三——開關(guān)變壓器伏秒容量的意義
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例1：電視機(jī)中使用的行掃描回掃開關(guān)變壓器，簡(jiǎn)稱高壓包，其工作原理屬于脈沖變壓器，但也屬于反激式開關(guān)變壓器的范疇。高壓包的工作電壓與占空比是固定的，其磁滯回線也基本是固定的，因此，高壓包的鐵芯氣隙相對(duì)要留得比一般開關(guān)變壓器的小，漏感相對(duì)也比較小。

高壓包初級(jí)線圈的電感量為6毫亨，工作電壓一般為120V，正程掃描時(shí)間（脈沖寬度）為52uS ，逆程掃描時(shí)間為12uS 。這里我們檢測(cè)它的伏秒容量是否設(shè)計(jì)得合理，或是否工作于最佳工作狀態(tài)。

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


根據(jù)上面分析，以及圖8和圖10，正常工作時(shí)，流過(guò)高壓包初級(jí)線圈的最大電流Im不應(yīng)該超過(guò)極限電流值Imax的70%，由此，可以求得流過(guò)高壓包初級(jí)線圈的極限電流Imax為1.49 A 。

上面計(jì)算出來(lái)的極限電流Imax值，就是用來(lái)測(cè)試高壓包初級(jí)線圈的迭加電流的數(shù)值。根據(jù)圖7，把電流源的電流設(shè)置為1.49 A，即：設(shè)置測(cè)試高壓包初級(jí)線圈的迭加電流為1.49 A，然后測(cè)試高壓包初級(jí)線圈的電感；如果測(cè)試結(jié)果Lx的數(shù)值等于或者大于初始電感L0的90%，則說(shuō)明，高壓包初級(jí)線圈的伏秒容量設(shè)計(jì)是合格的，即：高壓包鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度基本工作于最佳狀態(tài)范圍之內(nèi)；如果測(cè)試結(jié)果Lx小于初始電感L0的90%，則說(shuō)明，高壓包初級(jí)線圈的伏秒容量余量太小，不合格，即：高壓包鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度工作于接近飽和區(qū)的范圍之內(nèi)，磁滯損耗以及渦流損耗比較大，并且開關(guān)變壓器容易出現(xiàn)磁飽和。

對(duì)于高壓包除了測(cè)試伏秒容量的大小之外，還應(yīng)該檢測(cè)高壓包初級(jí)線圈的漏感。正常漏感的數(shù)值一般都小于初級(jí)線圈電感量的2%，如果太大，則說(shuō)明鐵芯留的氣隙長(zhǎng)度過(guò)大，或者高壓包初、次級(jí)線圈的繞線方法或結(jié)構(gòu)不合理。

這里順便說(shuō)明，采用圖7測(cè)試時(shí)應(yīng)該注意的地方。圖7中，隔離電感LT的數(shù)值要求是測(cè)試電感Lx數(shù)值的3倍以上，并且測(cè)量高壓包初級(jí)線圈的初始電感值L0時(shí)，最好也要接入電路之中。這里，隔離電感LT可選取20毫亨以上的矽鋼片直流電感，電感的鐵芯要留有氣隙；流電源可用一個(gè)穩(wěn)壓電源與一個(gè)大功率電阻串聯(lián)代替，如圖11，或用一個(gè)穩(wěn)壓電源與一個(gè)大功率晶體放大器串聯(lián)來(lái)代替，如圖12。

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在圖11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(huì)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)壓電源的輸出電壓，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(cè)試電路中不需要另外安裝電流表。

這里特別指出，在測(cè)試高壓包初級(jí)線圈的初始電感L0的時(shí)候，高壓包的鐵芯必須要退磁，否則，測(cè)試結(jié)果將不準(zhǔn)確。一般帶有磁性的開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量，要略大于沒(méi)帶磁性開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量。高壓包退磁的方法請(qǐng)參考圖14和圖15，以及說(shuō)明。

另外，迭加電流Imax的值一般是正常工作時(shí)，流過(guò)高壓包初級(jí)線圈電流（平均值或有效值）的好幾倍。例如：上例測(cè)試的高壓包，正常工作時(shí)，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(shí)平均電流的3.5倍。一般高壓包初級(jí)線圈漆包線的電流密度都小于3A/mm2 ，從而可求得，流過(guò)高壓包初級(jí)線圈漆包線迭加電流的最大電流密度為10.5 A/mm2 。

因此，通過(guò)對(duì)高壓包初級(jí)線圈伏秒容量的檢查，同時(shí)也是對(duì)高壓包初級(jí)線圈的線徑進(jìn)行檢查。一般漆包線在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(guò)測(cè)量高壓包線圈的溫升就可以知道高壓包線圈的設(shè)計(jì)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13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13中，Ip為流過(guò)高壓包初級(jí)線圈的平均電流， 為正程掃描期間，流過(guò)高壓包初級(jí)線圈的平均電流；Im為正程掃描期間，流過(guò)高壓包初級(jí)線圈的最大電流；Imax為正程掃描期間，流過(guò)高壓包初級(jí)線圈的極限電流； 1為正程掃描時(shí)間（52 uS）， 2為逆程掃描時(shí)間（12 uS），x 為極限正程掃描時(shí)間。

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例2：電視機(jī)開關(guān)電源一般都是脈沖調(diào)寬反激式開關(guān)電源，它有兩種工作方式：一種是脈沖調(diào)寬兼調(diào)頻工作方式；另一種工作方式是工作頻率不變，只對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制。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由集成電路構(gòu)成的他激式開關(guān)電源中使用。

設(shè)一個(gè)100W電視機(jī)開關(guān)電源使用的開關(guān)變壓器，其初級(jí)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)管的耐壓一般只有600V左右，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)電源的占空比最大值只能取0.25，即：D = 0.25 ；當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載為最重的時(shí)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(shí)電源開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的脈沖寬度 = 6.25uS 。

根據(jù)上面已知參數(shù)我們可以利用（8）式來(lái)計(jì)算流過(guò)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的最大電流Im，然后再求其極限電流Imax的值，即：測(cè)試開關(guān)變壓器初級(jí)線圈電感時(shí)選用的迭加電流值。
 

根據(jù)前面分析，以及圖8和圖11，正常工作時(shí)，流過(guò)高壓包初級(jí)線圈的最大電流Im不應(yīng)該超過(guò)極限電流值Imax的70%，由此，可以求得流過(guò)高壓包初級(jí)線圈的極限電流Imax為3.21 A 。

上面計(jì)算出來(lái)的極限電流Imax值，就是用來(lái)測(cè)試開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的迭加電流的數(shù)值。根據(jù)圖7，把電流源的電流設(shè)置為3.21 A ，即：測(cè)試開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的迭加電流為3.21 A，然后測(cè)試開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感；如果測(cè)試結(jié)果Lx等于或者大于初始電感L0的90%，則說(shuō)明，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的伏秒容量設(shè)計(jì)是合格的；如果測(cè)試結(jié)果Lx小于初始電感L0的90%，則說(shuō)明，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的伏秒容量余量非常小，不合格。

假設(shè)其它參數(shù)不變，而把工作電壓由360V降為110V時(shí)，開關(guān)電源的最大占空比可取值為0.7708，即：D = 0.7708 。由此可求得，當(dāng)開關(guān)電源的工作頻率為40kHz時(shí)，電源開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的脈沖寬度= 19.27uS ，由此可以求得流過(guò)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的最大電流Im為：   
比較（14）和（15）式可以看出，雖然開關(guān)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，在選取開關(guān)變壓器初級(jí)線圈漆包線粗細(xì)的時(shí)候，一定要按平均電流的大小來(lái)選取。由此可知，一個(gè)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?yàn)?，雙電壓開關(guān)電源銅阻損耗要比單電壓開關(guān)電源大很多。

同理，除了測(cè)試開關(guān)變壓器初級(jí)線圈伏秒容量的大小之外，還應(yīng)該檢測(cè)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的漏感大小。反激式開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的漏感一般都小于初級(jí)線圈電感量的5%，如果太大，則說(shuō)明鐵芯留的氣隙長(zhǎng)度過(guò)大，或者開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈的繞線方法或結(jié)構(gòu)不合理。

當(dāng)我們通過(guò)測(cè)試，知道開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的極限電流Imax數(shù)值，再根據(jù)（8）式或（10）式，就可以知道開關(guān)變壓器伏秒容量的最大值VTm，或開關(guān)變壓器伏秒容量的極限值VTmax ；根據(jù)VTm值，我們就可以進(jìn)一步來(lái)確定開關(guān)變壓器的工作電壓和脈沖寬度。

開關(guān)變壓器的工作電壓和脈沖寬度的關(guān)系，可以根據(jù)（8）式求得。在選定工作電壓的情況下，可把Im = 0.7 Imax代入（8）式，即可求得最大脈沖寬度m 。
然后再根據(jù)脈沖寬度進(jìn)一步求占空比D和工作頻率。下面（16）式和（17）式是計(jì)算脈沖寬度和占空比D以及工作頻率的關(guān)系式：

（16）式中，D為開關(guān)電源工作時(shí)的占空比，Dm為開關(guān)電源工作時(shí)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，Ucmax為電源開關(guān)管集電極（或漏極）的最大工作電壓。一般Ucmax 的最大值只能取到電源開關(guān)管最大耐壓值BVceo 的80% ，即選用電源開關(guān)管時(shí)，其耐壓要留有20%的余量。因此，對(duì)開關(guān)變壓器伏秒容量的測(cè)試，必須結(jié)合具體電路進(jìn)行。

這里還需特別指出，在測(cè)試開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的初始電感L0的時(shí)候，開關(guān)變壓器的鐵芯必須要退磁，否則，測(cè)試結(jié)果將不準(zhǔn)確。一般帶有磁性的開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量，要略大于沒(méi)帶磁性開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量。