开关电源变压器的伏秒容量.pdf

1、 1开关变压器的伏秒容量与测量 陶显芳 2008-1-18 摘要： 伏秒容量表示：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，开关变压器能够承受冲击的时间就越长；而在一定工作电压的条件下，开关变压器的伏秒容量越大，开关变压器铁芯中的磁通密度就越低，开关变压器的铁芯就不容易饱和。 通过对开关变压器伏秒容量的测量，可以知道开关变压器的铁芯是否正好工作于最佳磁通密度的位置上；以及占空比，或者工作频率，是否取得合理；同时还可以检查开关变压器铁芯气隙长度取得是否合适。 正文： 长期以来，人们

2、在设计或使用开关变压器的时候，一般只关心开关变压器的输入、输出电压、电流的大小，以及电感量等参数，而很少关心开关变压器的伏秒容量。其实，开关变压器的伏秒容量也是一个非常重要的参数，不过，目前很多人并不十分清楚伏秒容量到底是个什么东西，或者怎样对伏秒容量进行测试，以及怎样使用伏秒容量这个参数。 因此，这里将详细介绍什么是开关变压器的伏秒容量，然后再分析怎样对开关变压器的伏秒容量进行测量及应用。 1什么是开关变压器的伏秒容量 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，即： IWVT = （ 1） （ 1）式中， VT 为伏秒容量，单位为伏 秒

3、； W 为功，单位为焦耳，或瓦特 秒； I 为电流强度，单位为安倍。 这里我们以反激式开关电源的工作原理为例， 详细分析开关变压器伏秒容量2的应用。图 1 是反激式开关电源的工作原理图，目前 70%以上的小功率开关电源都是采用反激式开关变压器输出电源。所谓反激式开关变压器输出电源，就是当开关变压器的初级线圈正好被直流脉冲电压激励时， 开关变压器的次级线圈没有向负载提供能量输出，仅在开关变压器初级线圈的激励电压消失之后，开关变压器铁芯中存储的磁能量才通过次级线圈转化成反电动势向负载提供功率输出， 这种开关电源称为反激式开关电源。 1i1e2e在图 1 中，当输入电压 E 加于开关变压器初级线圈

4、N1的两端时，由于开关变压器次级线圈产生的电动势与流过二极管的电流方向正好相反， 相当于所有次级线圈均开路， 此时开关变压器相当于一个电感 L1 。 其等效电路如图 2-a) 所示，图 2-b) 是开关接通时，电感两端的电压和流过电感 L1的电流。 从图 2 可以看出，流过开关变压器的电流只有励磁电流，即：开关变压器铁心中的磁通量全部都是由励磁电流产生的。 如果开关变压器初级线圈的电感量是恒定的， 或开关变压器铁芯的导磁率永远保持不变； 那么， 当控制开关接通以后，流过开关变压器初级线圈的励磁电流就会随时间增加而线性增加， 开关变压器铁心中的磁通量也随时间增加而线性增加。根据电磁感应定理： e

5、1= L1dtdi= N1dtd= E K接通期间 （ 2） 式中 e1为开关变压器初级线圈产生的电动势， L1为开关变压器初级线圈的电感量， 为开关变压器铁心中的磁通量， E 为开关变压器初级线圈两端的输入3电压。其中磁通量 还可以表示为： = kSB （ 3） 上式中， k 是一个与单位制相关的系数， S 为开关变压器铁心的导磁面积，B 为磁感应强度，也称磁通密度，即：单位面积的磁通量。 1e1i1e1i把（ 2-143）式代入（ 2-142）式，并进行积分： BSdBmBrk = dtNt01Ek （ 4） 由此求得： )(10E18rmBBSN=（ 5） 或 VT = E = kS(B

6、m Br)N1（ 6） 4（ 5）式就是计算反激式开关变压器初级线圈 N1绕组匝数的公式。式中，N1为开关变压器初级线圈 N1绕组的最少匝数， S 为开关变压器铁心的导磁面积，单位：平方厘米； Bm为开关变压器铁心的最大磁感应强度，单位：高斯； Br为开关变压器铁心的剩余磁感应强度，单位：高斯） ， Br一般简称剩磁； = Ton，为控制开关的接通时间，简称脉冲宽度，或电源开关管导通时间的宽度，单位：秒； E 为工作电压，单位为伏。式中的指数（ k=108）是统一单位用的，选用不同单位制，指数的值也不一样，这里选用 CGS 单位制，即：长度为厘米（ cm），磁感应强度为高斯（ Gs） ，磁通单

7、位为麦克斯韦（ Mx） 。 （ 6）式中， E 就是开关变压器的伏秒容量，即：伏秒容量等于输入脉冲电压幅度与脉冲宽度的乘积，这里我们把伏秒容量用 VT 来表示。 由于（ 6）式中，磁感应强度一般都是取使用范围的最大值，因此， （ 6）式中的伏秒容量 VT 也应该是表示开关变压器伏秒容量的最大值，或额定值，这是使用伏秒容量时应该注意的地方。这和使用变压器的功率时的情况基本是一样的，即：变压器的功率一般都指额定输出功率。 （ 6）式与（ 1）式都是变压器伏秒容量的表达式，只是具体表示方式有点不同，在这里（ 6）式仅表示反激式开关变压器的伏秒容量，而（ 1）式则表示所有开关变压器的伏秒容量，所以，

8、（ 1）式的应用范围比（ 6）式更大一些。 从（ 1）式和（ 6）式可以看出，伏秒容量对于开关变压器来说，是一个非常重要的物理量，在应用中，开关变压器的最大伏秒容量还表示：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，开关变压器能够承受冲击的时间就越长；而在一定工作电压的条件下，开关变压器的伏秒容量越大，开关变压器铁芯中的磁通密度就越低，开关变压器的铁芯就不容易饱和。 在反激式开关电源中，当开关变压器的铁芯面积固定以后，开关变压器的伏秒容量主要就是由磁通增量 B（ B = Bm B

9、r）的大小以及开关变压器初级线圈的匝数 N1来决定，如图 3 所示。 从图 3 可以看出，磁感应强度是由磁场强度来决定的，即磁通增量 B 也是由磁场强度来决定的。图 3 中，虚线 B 为开关变压器铁芯的初始磁化曲线，所谓初始磁化曲线就是开关变压器铁芯还没有带磁，第一次使用时的磁化曲线，一旦开关变压器铁芯带上磁后，初始磁化曲线就不再存在了。因此，在开关变压器中，开关变压器铁芯的磁化一般都不是按初始磁化曲线来进行工作的，而是随着磁场强度增加和减少，磁感应强度将沿着磁化曲线 ab 和 ba，或磁化曲线 cd 和dc，来回变化。当磁场强度增加时，磁场强度对开关变压器铁芯进行充磁；当磁场强度减少时，磁场

10、强度对开关变压器铁芯进行退磁。 5r2BHB0Hs图 3B r1B1H1 H2m1m2BBBsB212abcdBB图 3 中，当磁场强度由 0 增加到 H1，对应的磁感应强度也由 Br1沿着磁化曲线 ab 增加到 Bm1；而当磁场强度由 H1下降到 0 时，对应的磁感应强度将由 Bm1沿着磁化曲线 ba 下降到 Br1。如果不考虑磁通的方向，磁通的变化量就是 B1 ，即磁通增量 B1= Bm1 Br1。 如果磁场强度进一步增大，由 0 增加到 H2，则磁化曲线将沿着曲线 cd 和 dc进行，对应产生的磁通增量 B2= Bm2 Br2。 由图 3 中可以看出，对应不同的磁场强度，即不同的励磁电流

11、，磁通变化量也是不一样的，并且磁通变化量与磁场强度不是线性关系。图 4 是磁感应强度与磁场强度相互变化的函数曲线图。图 4 中，曲线 B 是磁感应强度与磁场强度对6应变化的曲线；曲线 为导磁率与磁场强度对应变化的曲线；曲线i 为励磁电流与磁场强度对应变化的曲线。 ii图 4 中： HB = （ 7） 7LUi =（ 8） （ 7）和（ 8）式中， B 为磁感应强度， H 为磁场强度， 为导磁率，i 为励磁电流， U 为加到开关变压器初级线圈两端的电压， L 为开关变压器初级线圈的电感， 为脉冲宽度。 由图 4 中可以看出， 导磁率最大的地方并不是磁感应强度或磁场强度最小或最大的地方，而是位于磁

12、感应强度或磁场强度某个中间值的地方。当导磁率达到最大值之后，导磁率将随着磁感应强度或磁场强度增大，而迅速下降；当导磁率下降到将要接近 0 的时候，我们就认为开关变压器铁芯已经开始饱和，如图中Bs 和 Hs。此时，开关变压器初级线圈的电感量将下降到 0，励磁电流将变成无限大。 由于导磁率的变化范围太大，且容易饱和，因此，一般开关电源使用的开关变压器都要在开关变压器铁芯中间留气隙。图 5-a) 是中间留有气隙的开关变压器铁芯的原理图，图 5-b) 是中间留有气隙的开关变压器铁芯的磁化曲线图，及计算开关变压器铁芯最佳气隙长度的原理图。 mB0rB1rBcHcH1B0B1lclcclltg1 =atg

13、 图 5-b) 中，虚线是没留有气隙开关变压器铁芯的磁化曲线，实线是留有气隙开关变压器铁芯的磁化曲线； 曲线 b 是留有气隙开关变压器铁芯的等效磁化曲8线，其等效导磁率，即曲线的斜率为 tg ；a 是留有气隙开关变压器铁芯的平均导磁率；c 是没留有气隙时开关变压器铁芯的导磁率。 由图 5 可以看出，开关变压器铁芯的气隙长度留得越大，其平均导磁率就越小，而开关变压器铁芯就不容易饱和；但开关变压器铁芯的平均导磁率越小，开关变压器初、次级线圈之间的漏感就越大。因此，开关变压器铁芯气隙长度的设计是一个比较复杂的计算过程， 并且还要根据开关电源的输出功率以及电压变化范围（占空比变化范围）综合考虑。不过我

14、们可以通过对开关变压器伏秒容量的测量，同时检查开关变压器铁芯气隙长度留得是否合适。 关于开关变压器铁芯气隙长度的设计，请参考本人另一篇开关电源变压器铁芯气隙的选取章节的内容。 这里还需特别指出，同是一个开关变压器，由于开关电源工作时占空比的不同， 或者占空比在不断地改变， 使得开关变压器铁芯的磁化曲线也在不断地改变，即：磁化曲线中的最大磁通密度 Bm和剩磁 Br都不是一个固定值；当占空比比较大时，由于励磁电流的增大，最大磁通密度 Bm也会相应提高，此时开关变压器次级线圈的电流也会增加，从而使退磁电流也增加，退磁电流增加对降低开关变压器铁芯的剩磁 Br很有利，使磁通增量 B 也相应增加。因此，用

15、于计算开关变压器伏秒容量的（ 6）式，实际上只有计算开关变压器的最大伏秒容量时才有意义。 另外，图 4 中表示导磁率的 的曲线也不是一成不变的，它受温度的影响非常大。因为，目前大多数开关变压器使用的铁芯材料，基本上都是铁氧体导磁材料，这些铁氧体变压器铁芯是由多种铁磁金属材料与非金属材料混合在一起，然后按陶瓷的生产工艺，把铁磁混合材料冲压成型，最后加高温烧结而成的。由于铁氧体属于金属氧化物，大部分金属氧化物都具有半导体材料的共同性质，就是电阻率会随温度变化， 并且变化率很大。 热敏电阻就是根据这些性质制造出来的，温度每升高一倍，电阻率就会下降（或上升）好几倍，甚至几百倍。大多数热敏电阻的材料都属

16、于金属氧化物，因此，铁氧体也具有热敏电阻的性质。 铁氧体变压器铁芯在常温下，虽然电阻率很大，但当温度升高时，电阻率会急速下降，使涡流损耗增加；当温度升高到某个极限值时，变压器初级线圈的有效电感量几乎下降到 0，相当于导磁率也下降到 0，或相当于变压器次级线圈被短路，此时的温度称为居里温度，用 Tc表示。因此，铁氧体的电阻率和导磁率都是不稳定的，我们对开关变压器进行设计时，工作温度最好不要超过 110。图 6 是日本 TDK 公司高导磁率材料 H5C4 系列铁芯初始导磁率i 随温度变化的曲线图，其居里温度 Tc大约为 120。 9iCo1202开关变压器伏秒容量的测量 从原理上说，开关变压器的伏

17、秒容量与开关变压器的功率容量一样重要，甚至比开关变压器的功率容量还要重要，因为，当开关变压器的工作电压或脉冲宽度超过开关变压器的伏秒容量的时候，开关变压器初级线圈的电感量就会饱和，其电感量在很短的时间内就会下降到接近 0 值，使电路中的电流迅速增加，致使电源开关管在瞬间就会过流损坏，与此同时，开关变压器以及电路中的其它元件在很短的时间内也过流或过压损坏。 但由于长期以来， 人们对变压器的认识主要还是停留在正弦波变压器的概念上，对开关变压器的认识也只关心其电感量以及输入、输出电压和电流等参数的大小，对脉冲变压器伏秒容量的概念认识很少，因此，很多人对开关变压器的伏秒容量都不清楚是个什么东西，或者怎

18、样对伏秒容量进行测试，以及怎样使用伏秒容量这个参数。 通过对开关变压器伏秒容量的测量，我们就可以知道开关变压器的铁芯是否正好工作于最佳磁通密度的位置上； 以及占空比， 或者工作频率， 是否取得合理；同时还可以检查开关变压器铁芯气隙长度取得是否合适。 开关电源能否正常工作， 其中一个主要原因是开关变压器的技术参数要符合开关管电源的工作环境或条件。开关变压器铁芯出现磁通密度饱和的原因，主要是在进行电路设计时把开关变压器的伏秒容量 VT 取得太小，或工作频率太低和10开关电源的占空比太大，使流过开关变压器初级线圈的励磁电流过大。 我们在检查 50 周工频小变压器质量好坏的时候，首先都是要检查小变压器

19、在最高输入电压之下，流过小变压器初级线圈的励磁电流，或漏电流的大小。但目前我们检查开关变压器质量好坏的时候， 一般都只能检查开关变压器的电感量或漏感的大小。 我们能不能也象检查 50 周工频小变压器那样检查开关变压器的励磁电流大小呢？很难，因为开关变压器一般都是工作于单极性磁化状态，测试开关变压器的励磁电流需要一个大功率直流脉冲输出电源， 这种大功率直流脉冲输出电源工作很不安全，操作也不方便。 为此，我们可以采用另一种更简便的方法，即：电流迭加法，来对开关变压器伏秒容量的进行测试。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

20、间接测量开关变压器线圈的最大伏秒容量和极限伏秒容量。 图 7 是采用电流迭加法测试开关变压器电感量或伏秒容量的工作原理图。 图7 中， M 是电感测试仪， LT是隔离电感， I 是电流源， Lx 为待测开关变压器的初级电感。 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。下面我们来介绍图 7的工作原理。 一般进行电感测量的时候，都是让电感线圈通过一个 1KHz 或 10KHz 的交流电，然后通过测试流过电感线圈的电流来间接测量电感线圈的阻抗或电感量。由于流过电感线圈的电流很小，并且是一个交流，用这种方法测试到的电感量

21、与电感线圈工作时体现出来的电感量是有区别的，并且区别很大，因为开关变压器铁芯的导磁率不是一个常数。 如果让被测试电感流过一个可变电流， 就可以改变被测试电感磁化曲线的工作点，由此，就可以测试磁化曲线上任何一点的导磁率或者电感量，并且可以根据电感量的变化，找出磁饱和时的工作点，根据磁饱和工作点就可以进一步测量或计算出开关变压器的伏秒容量 VT 或额定伏秒容量 VTR及极限伏秒容量VTmax。 额定伏秒容量 VTR就是开关电源工作时，开关变压器所能达到的伏秒容量，超过此额定伏秒容量 VTR，开关变压器初级线圈的励磁电流就会急激增加，当励磁电流急激增加到某个值时，变压器铁芯就开始出现饱和，铁芯的有效

22、导磁率就会下降到 0，此时我们就认为开关变压器的伏秒容量已经达到伏秒容量的极限值VTmax 。 11图 7LXIMLT下面我们来分析，怎么样定义迭加电流的大小和对开关变压器伏秒容量 VT进行测试。我们先看图 8。 图 8 是开关变压器铁芯留有气隙的电流 -电感和电流 -磁通密度函数曲线图，在图 8 中， X 轴代表流过开关变压器线圈的迭加电流 I， Y 轴代表开关变压器线圈的电感 L 或开关变压器铁芯中的磁通密度 B； L-I 为开关变压器线圈电感 L 对应于迭加电流 I 的变化曲线， B-I 为开关变压器铁芯的磁通密度 B 对应于迭加电流 I 的变化曲线（初始磁化曲线） 。 当迭加电流 I

23、= 0 时，测得开关变压器线圈的电感量为 L0，由于开关变压器铁芯初始磁化的时候，导磁率比较小，所以开关变压器线圈的初始电感量 L0也比较小；随着迭加电流 I 的增加，开关变压器铁芯的导磁率也会增加，所以开关变压器线圈的电感量也随着迭加电流 I 的增加而增加，当迭加电流 I 达到某个值（ I = Ib）的时候，开关变压器线圈的电感量达到最大值 Lmax，随后，随着迭加电流 I 的增加，开关变压器线圈的电感量反而减小，并迅速下降，当迭加电流 I = Is时，开关变压器铁芯的磁通密度开始出现饱和（ B = Bs） ，开关变压器线圈的电感量将减小到约等于 0。 实际上，图 8 中，改变迭加电流 I

24、的大小，其作用就相当于图 2-b)中的锯齿电流1i ，即：开关变压器线圈的电感量是受流过开关变压器线圈的直流分量调制的。如果我们把流过开关变压器线圈的最大电流 Im与开关变压器铁芯的最大磁通密度 Bm对应，那么，我们可以用图 8 来定义流过开关变压器线圈的最大电流Im和开关变压器铁芯的最大磁通密度 Bm。 12BsIB0Is图 8B-ILmaxL0L-ILImax0.1L00.9L0IbBmaxLxBb由于最大磁通密度 Bm概念经常被使用，为了避免混淆，这 里我们另外再定义两个新概念：一个为极限磁通密度 Bmax，另一个为极限电流 Imax。 从图 2-55 我们可以看出，当流过开关变压器初级

25、线圈的电流达到一定值时，初级线圈的电感量就会急速下降，并且，电流再增加，电感量很快就会下降到 0，即开关变压器铁芯磁化将出现饱和。 因此，我们定义：当流过开关变压器初级线圈的电流 I，使开关变压器初级13线圈的电感 L 下降到初始电感 L0的 90%时，此时流开关变压器线圈的电流 I，我们称之为极限电流 Imax，对应开关变压器铁芯中的磁通密度 B，我们称之为极限磁通密度 Bmax。 任何一个带铁芯的电感线圈都可以用图 7 表示的测量方法， 来测量电感线圈的初始电感量 L0和最大电感量 Lmax，以及极限电流 Imax。通过测量电感量，以及与其对应的极限电流值 Imax，就可以计算出开关变压器

26、或储能电感线圈的极限伏秒容量 VTmax。在使用开关变压器的过程中，任何时刻，都不能超出开关变压器的极限伏秒容量 VTmax。 反过来，我们还可以在特定的情况下，比如：在工作电压最高、负载最重的情况下，先测量开关电源的占空比或输出电压的脉冲宽度 ，然后计算出开关变压器初级线圈电流的最大值 Im， 最后给最大值 Im乘以一个安全系数 K（ K=1.43） ，其结果就是流过开关变压器初级线圈电流的极限值 Imax，即用于测量开关变压器初级线圈电感 Lx 的迭加电流值。 由此可知，开关变压器（反激式）在任何情况下，其初级线圈的工作电流都不能超过图 8 中的 Imax，对应的磁通密度也不能超过图 8

27、中的 Bmax。 由前面（ 1）式： e1= L1dtdi= N1dtd= E K接通期间 （ 1） 可以求得： =ttdtLEdtLei010 11 K接通期间 （ 9） 即： 11VLTLEIm= （ 10） 或 1V LITm= （ 11） 以及 9.0max9.0maxVLTLEIm= （ 12） 或 9.0maxmaxV LIT = （ 13） 14上面（ 9）式和（ 10）式是用来计算开关变压器初级线圈或储能电感线圈电流的公式，式中mI 为流开关变压器初级线圈或储能电感线圈电流的最大值，即：开关接通后，持续时间等于 时，流过开关变压器初级线圈或储能电感线圈电流的瞬时值； E 为开关

28、电源的工作电压， V 为加于开关变压器初级线圈两端的输入电压（直流脉冲电压） ， L1为开关变压器初级线圈电感量。 （ 11）式是用来计算开关变压器或储能电感线圈伏秒容量 VT 的公式，它与（ 10）式相对应，当（ 10）式中的 Im为流过开关变压器初级线圈或储能电感线圈的额定工作电流时，其对应的伏秒容量 VT 就是开关变压器初级线圈或储能电感线圈的额定伏秒容量 VTR。 这里需要说明的是，表示开关变压器或储能电感线圈伏秒容量的（ 11）式与前面表示开关变压器伏秒容量的（ 6）式，两者是等同的，只是表示方式不一样。（ 6）式是用开关变压器铁芯中的磁通量和开关变压器初级线圈的匝数来表示开关变压器

29、的伏秒容量，而（ 11）式则是用开关变压器初级线圈的电感量与流过开关变压器初级线圈的电流来表示开关变压器的伏秒容量。实际上，变压器铁芯中的磁通量主要与变压器初级线圈的匝数和介质的导磁率有关系， 以及与流过开关变压器初级线圈的电流有关系；电感被定义为磁感应系数，正好把前面两个关系全部包含了，即线圈的匝数和介质的导磁率。 由此可知， （ 11）式和（ 6）式是可以通过变量置换，互相进行转换的，两者可根据具体使用情况，任选其中一种表示方式进行计算。但在计算变压器匝数的时候，最好还是选用（ 6）式，因为，电压与磁通增量的对应关系是基本固定的，但电感量则受环境影响会经常改变。 （ 13） 式是用来计算开

30、关变压器或储能电感线圈的极限伏秒容量 VTmax的公式。式中： VTmax为开关变压器或储能电感线圈的极限伏秒容量， V 为加于开关变压器初级线圈两端直流脉冲电压的幅度（单位：伏） ， Tmax为加于开关变压器初级线圈或储能电感线圈两端直流脉冲电压的极限时间（脉冲宽度，单位：秒） 。 Imax就是根据图 2-54 对开关变压器初级线圈或储 能电感线圈电感 Lx 进行测试时的极限迭加电流，即：当迭加电流 I 增加，使被测量电感 Lx 等于初始电感量0L的 0.9 倍时，流过开关变压器初级线圈或储能电感线圈的迭加电流值。也可以把 Imax看成是流过开关变压器初级线圈或储能电感线圈的极限电流值， 此

31、电流可以采用图 7 和图 8 定义的方法来测量；9.0L为开关变压器初级线圈或储能电感线圈初始电感0L下降到 90%时的值。 这里顺便说明，mI 与 Imax， VTm与 VTmax在性质上基本相同，只是后者用15max 来表示它是前者的极限值。 三、开关变压器伏秒容量的意义 开关变压器或储能电感线圈的极限伏秒容量 VTmax参数， 其实与晶体管的最大集电极电压 BVceo参数一样重要。在晶体管放大电路中，当晶体管集电极与发射极两端的电压超过最大集电极电压 BVceo时，晶体管就会被击穿损坏。同样，在开关电源中，当施加于开关变压器的伏秒容量（电压幅度与时间长度）超过极限伏秒容量 VTmax时，

32、开关变压器也要损坏，并且还会损坏电源开关管，及其它电路元件。 开关变压器伏秒容量的意义相当于图 9 中斜线为界的矩形面积， 决定面积大小的两条边分别由开关变压器的工作电压（直流脉冲幅度） V 和持续通电时间 T（脉冲宽度）的乘积组成。其极限伏秒容量 VTmax相当于以 Vmax为一条边与 max为另一条边所构成的面积， 灰色区域部分相当于开关变压器正常工作时伏秒容量的面积。 TV0图 9工作区安全区安全区maxbmaxVbV危险区危险区不过这里还应强调指出，只要伏秒容量的面积没有超出极限伏秒容量的面积， V 或 T 任何一条边分别都可以超出图 9 中所示的 V 或 T 边上的 Vmax和 ma

33、x的长度。 16结合图 8 和图 9，我们可以看出，使用开关变压器时，最好让流过开关变压器线圈的最大工作电流约等于图 8 中bI ，或者让开关脉冲的宽度约等于b 。 当流过开关变压器线圈的最大工作电流等于图 8 中bI 时， 开关变压器线圈的电感量为最大值maxL ；在此种情况下，开关变压器的工作效率最高，因为，此时开关变压器铁芯损耗与开关变压器线圈损耗的乘积最小 （磁滞损耗与励磁电流的大小成正比，还与磁通密度增量的平方成正比；涡流损耗与磁通密度增量的平方成正比；铜阻的损耗与导线的长度成正比） ；并且，开关变压器的伏秒容量 VTb与极限伏秒容量 VTmax还有很大的安全距离。 目前，一般开关变

34、压器都大量选用铁氧体为磁芯材料，这种铁氧体磁芯的磁饱和磁通密度 Bs一般为 4500 5000 高斯，因此，由图 8 可以看出，开关变压器铁芯的最佳磁通密度 Bb大约为磁饱和磁通密度 Bs的一半左右，即： Bb= 23002500 高斯。因此，当使用（ 5）式对开关变压器初级线圈进行计算的时候，公式中最大磁通密度 Bm的取值，最好不要超过 2500 高斯。 由于开关变压器铁芯磁饱和磁通密度 Bs参数的分散性，用什么方法，我们才能知道开关变压器的铁芯正好就工作于最佳磁通密度 Bb的位置上呢？或者我们拿到一个开关变压器，到底应该取多大的脉冲宽度，以及占空比，或者工作频率，才合理呢？ 这个必须通过对

35、开关变压器伏秒容量的测量，才能最后做出决定，同时还可以检查开关变压器铁芯气隙长度留得是否合适。 下面我们通过对开关变压器伏秒容量进行测量的例子， 进一步分析伏秒容量的实用意义。 四、开关变压器伏秒容量测量举例 上面我们已经分析开关变压器伏秒容量的意义和测量方法， 下面我们再进一步举例来详细分析开关变压器伏秒容量的测量方法， 以及通过对开关变压器伏秒容量的测量，验证开关变压器工作状态的合理性。 例 1： 电视机中使用的行扫描回扫开关变压器，简称高压包，其工作原理也属于反激式开关变压器，其初级线圈的电感量为 6 毫亨，工作电压一般为 120V，正程扫描时间（脉冲宽度） 为 52uS ，逆程扫描时间

36、为 12uS 。检测它的伏秒容量是否设计得合理，或它是否工作于最佳工作状态。 为此，我们可以根据（ 10）式，先计算流过高压包初级线圈的最大电流 Im，然后再求其极限电流 Imax的值，即：测试时选用迭加电流的值。 17把已知参数代入( 10)式： 11VLTLEIm= (10) 即： A 04.11052106120V631=LEIm（ 14） 根据上面分析，以及图 8 和图 9，正常工作时，流过高压包初级线圈的最大电流 Im不应该超过极限电流值 Imax的 70%，由此，可以求得流过高压包初级线圈的极限电流 Imax为 1.49 A 。 上面计算出来的极限电流 Imax值， 就是用来测试高

37、压包初级线圈的迭加电流的数值。根据图 7，把电流源的电流设置为 1.49 A，即：设置测试高压包初级线圈的迭加电流为 1.49 A，然后测试高压包初级线圈的电感；如果测试结果 Lx 的数值等于或者大于初始电感 L0的 90%，则说明，高压包初级线圈的伏秒容量设计是合格的，即：高压包铁芯的磁通密度基本工作于最佳状态范围之内；如果测试结果 Lx 小于初始电感 L0的 90%，则说明，高压包初级线圈的伏秒容量余量太小，不合格，即：高压包铁芯的磁通密度工作于接近饱和区的范围之内，磁滞损耗以及涡流损耗都比较大，并且开关变压器容易出现磁饱和。 对于高压包或开关变压器除了测试伏秒容量的大小之外， 还应该检测

38、高压包或开关变压器初级线圈的漏感。 正常漏感的数值一般小于初级线圈电感量的 2%，如果太大，则说明变压器铁芯留的气隙长度过大，或者开关变压器初、次级线圈的结构或绕线方法不合理。 这里顺便说明，采用图 7 测试时应该注意的地方。图 7 中，隔离电感 LT的大小要求是测试电感 Lx 数值的 3 倍以上，并且测量高压包初级线圈的初始电感值 L0时，最好也要接入电路之中。这里，隔离电感 LT可选取 20 毫亨以上的带矽钢片铁芯的电感，电感的铁芯要留有一定的气隙；电流源可用一个稳压电源与一个大功率电阻串联代替，如图 10；或用一个稳压电源与一个大功率晶体放大器串联来代替，如图 11。 18在图 10 中

39、， E 为稳压电源， R 为大功率电阻，阻值范围在 1 10 欧姆比较合适，阻值太大损耗功率会很大；调节稳压电源的电压输出，就可以调节迭加电流的大小。 图 11LXMLTERxQ在图 11 中， E 为稳压电源， Rx 为可调电阻， Q 为晶体管大功率放大器（必须带散热片） ；调节稳压电源的电压输出，或改变可变电阻的阻值，就可以改变迭加电流的大小， 但晶体管大功率放大器集电极与发射极之间的电压降不要大于10V，否则，晶体管大功率放大器的损耗将很大。一般稳压电源都有电流输出指示，所以在测试电路中不需要另外安装电流表。 19这里特别指出，在测试高压包或开关变压器初级线圈的初始电感 L0的时候，高压

40、包的铁芯必须要退磁，否则，测试结果将不准确。通常，带磁的开关变压器初级线圈的电感量，要略大于没带磁开关变压器初级线圈的电感量。高压包退磁的方法请参考后面 5开关变压器的消磁方法一节的内容。 另外，用于测试高压包的迭加电流，其最大值 Imax一般是高压包正常工作时流过初级线圈电流（平均值或有效值）的好几倍。例如：上例测试的高压包，正常工作时，其平均电流 IA大约只有 0.42 A，但迭加电流 Imax的值为 1.49 A ；由此可知，迭加电流 Imax的值是正常工作时平均电流的 3.5 倍。一般高压包初级线圈漆包线的电流密度大约为 3A/mm2左右，因此，流过高压包初级线圈漆包线迭加电流的最大电

41、流密度约为 10.5 A/mm2 。 通常漆包线在 40 度温升的情况下， 其最大电流密度大约在 13A/mm2左右 （直流） ，因此，通过测量高压包线圈的温升也可以知道高压包线圈漆包线的选用是否合理。 这里顺便介绍一下电流平均值 IA的求法，以及其与最大电流 Im和极限电流Imax的关系。 图 12 是电流平均值 IA与最大电流 Im和极限电流 Imax之间的关系图。 I0图 1221maxImIPI1PIxt图 12 中， Ip为流过高压包初级线圈的平均电流，1pI 为正程扫描期间，流过高压包初级线圈的平均电流；mI 为正程扫描期间，流过高压包初级线圈的最大20电流；maxI 为正程扫描期

42、间，流过高压包初级线圈电流的极限值；1 为电视正程扫描时间（ 52uS ） ，2 为电视逆程扫描时间（ 12uS ） ，x 为正程扫描时间的极限值。 例 2： 电视机开关电源一般都是反激式脉冲调宽开关电源，它有两种工作方式：一种是脉冲调宽兼调频；另一种是工作频率不变，只对脉冲宽度进行调制。前一种工作方式多在自激式开关电源中使用， 后一种工作方式多在他激式开关电源中使用。 设 一个 100W 电视机开关电源使用的开关变压器，其初级线圈的电感量为 1毫亨，其最高工作电压为 360V，最低工作电压为 110V。由于一般开关管的耐压最高只有 600V，并且还要预留最少 20%的余量，防止开关变压器漏感

43、产生的反电动势脉冲；因此，在最高工作电压和负载最重的状态下，开关电源的占空比最大只能取 0.25，即： D = 0.25 ；当开关电源的负载为最重的时候，占空比也处于最大值。设开关电源的工作频率为 40kHz，当占空比为最大值时电源开关管导通时的脉冲宽度 = 6.25uS 。 根据上面已知参数我们可以利用( 10)式来计算流过开关变压器初级线圈的最大电流 Im，然后再求其极限电流 Imax的值，即：测试开关变压器初级线圈电感时选用的迭加电流值。 把已知参数代入( 10)式： 11VLTLEIm= (10) 即： A 25.2106.25101360V631=LEIm（ 15） 根据前面分析，以

44、及图 8 和图 9，正常工作时，流过高压包初级线圈的最大电流 Im不应该超过极限电流值 Imax的 70%，由此，可以求得流过高压包初级线圈的极限电流 Imax为 3.21 A 。 上面计算出来的极限电流 Imax值， 就是用来测试开关变压器初级线圈的迭加电流的数值。根据图 7，把电流源的电流设置为 3.21 A ，即：测试开关变压器初级线圈的迭加电流为 3.21 A，然后测试开关变压器初级线圈的电感；如果测试结果 Lx 等于或者大于初始电感 L0的 90%，则说明，开关变压器初级线圈的伏秒容量设计是合格的；如果测试结果 Lx 小于初始电感 L0的 90%，则说明，开关变21压器初级线圈的伏秒

45、容量余量太小，不合格。 顺便说明，开关变压器的伏秒容量合格或不合格，不但与工作电压有关，而且还与开关电源的占空比有关，即：与脉冲宽度有关。 假设其它参数不变，而把工作电压由 360V 降为 110V 时，开关电源的最大占空比可取值为 0.7708，即： D = 0.7708 。当开关电源的工作频率为 40kHz 时，电源开关管导通时的脉冲宽度 = 19.27uS ，由此可以求得流过开关变压器初级线圈的最大电流 Im为： A 12.21019.27101110V631=LEIm（ 16） 比较（ 15）和（ 16）式可以看出，虽然开关变压器的工作电压不同，但两式最大工作电流 Im以及极限电流 I

46、max基本上是一样的。值得注意的是，虽然他们的最大电流值基本相同，但它们的平均电流值却是不一样的。前者的平均电流为0.281A，后者的平均电流为 0.817A 。因此，在选取开关变压器初级线圈漆包线粗细的时候，一定要按平均电流的大小来选取。 由此可知，一个双电压开关电源（ 110V/220V） ，其工作效率要比单电压开关电源低，因为，双电压开关电源铜阻损耗要比单电压开关电源大很多。 同理，除了测试开关变压器初级线圈伏秒容量的大小之外，还应该检测开关变压器初级线圈的漏感大小。正常漏感的数值一般小于初级线圈电感量的 2%，如果太大，则说明变压器铁芯留的气隙长度过大，或者开关变压器初、次级线圈的结构

47、或绕线方法不合理。 通过测试，如果我们已经知道开关变压器初级线圈的极限电流 Imax的值，我们又怎样来确定开关变压器的工作电压和脉冲宽度 呢？ 开关变压器的工作电压和脉冲宽度 的关系，同样可以根据( 10)式求得。在选定工作电压的情况下，可把 Im= 0.7 Imax代入( 10)式，即可求得最大脉冲宽度m 。 然后再根据脉冲宽度 进一步求占空比 D 和工作频率。下面（ 17）式 和（ 18）式是计算脉冲宽度 和占空比 D 以及工作频率的关系式： FTD = （ 17） EEUD1DCmaxmm=（ 18） 22（ 17）和（ 18）式中， D 为开关电源工作时的占空比， Dm为开关电源工作时

48、的最大占空比， 为脉冲宽度， T 为开关电源的工作周期， F 为工作频率， E为开关电源的工作电压，CmaxU 为电源开关管集电极（或漏极）的最大工作电压。一般CmaxU 最多只能取电源开关管最大耐压值ceoBV 的 80% ，即选用电源开关管时，其耐压要留有 20%的余量。 对于开关变压器伏秒容量的测试，必须结合具体电路进行。首先用示波器测量， 在最高输入电压和负载最重的状态之下， 电源开关管导通时的脉冲宽度 （或占空比 D） ；然后测试电源开关管集电极的最大工作电压CmaxU ，并且要求CmaxU小于电源开关管最大耐压值ceoBV 的 80% ； 随后才根据( 10)式计算流过开关变压器初

49、级线圈的最大电流 Im和极限电流值 Imax，最后采用图 7、 10、 11 的方法来对开关变压器的极限伏秒容量 VTmax进行测量和计算。 顺便指出，决定开关电源占空比 D 大小的主要因数是开关电源的输入电压与输出电压比 Ui:Uo，即：开关变压器初、次级线圈的匝数比 n。检查CmaxU 的大小，实际上也是检查开关变压器初、次级线圈的匝数比 n 是否设计得合理。 此方法的好处是，不但可以对开关变压器的关键技术参数进行测试和监控，同时也可以检查设计师设计电路的参数是否合理。 这里还需指出，在测试开关变压器初级线圈的初始电感 L0的时候，开关变压器的铁芯必须要退磁，否则，测试结果将不准确。通常铁芯带有磁性的开关变压器初级线圈的电感量，要