开关变压器的伏秒容量与测量方法

　　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。

　　一、什么是开关变压器的伏秒容量

　　图 1 是反激式开关电源的工作原理图，目前70%以上的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。

　　在图1中，当输入电压E加于开关变压器初级线圈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：

　　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，f 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电压。其中磁通量f 还可 以表示为：

　　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。

　　把（2）式代入（1）式，并进行积分：

　　（4）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；τ = 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）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），磁通单位为麦克斯韦（Mx）。

　　（5）式中，E×t 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。

　　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，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。

　　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－Br）的大小以及开关变压器初级线圈的匝数N1来决定。

　　另外，我们知道，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。如图3 所示。

　　图 3 中，虚线B 为开关变压器铁芯的初始磁化曲线，所谓的初始磁化曲线就是开关变 压器铁芯还没有带磁，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，磁场强度对开关变压器铁芯进行退磁。

　　磁场强度由0 增加到H1，对应的磁感应强度由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，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应变化的曲线；曲线m 为导磁率与 磁场强度对应变化的曲线。其中：

　　由图4 中可以看出，导磁率的地方并不是磁感应强度或磁场强度或的地 方，而是位于磁感应强度或磁场强度的某个中间值的地方。当导磁率达到值之后，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。

　　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气隙长度的原理图。

　　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线，其等效导磁率，即 曲线的斜率为tgβ ； μa 是留有气隙开关变压器铁芯的平均导磁率；μc 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，准备留待以后有机会再进行详细分析。

　　顺便说明，图4中表示导磁率的μ的曲线也不是一成不变的，它受温度的影响非常大。 由于开关变压器磁芯也是一种半导体材料（金属氧化物），很多半导体器件就是用金属氧化 物来制造的，如热敏电阻、场效应管等。半导体材料的特性就是受温度的影响很灵敏，当温 度上升到一定范围以后，开关变压器磁芯的电阻率就会变小，并开始导电。

　　因此，当温度升高到一定范围以后，在开关变压器磁芯内部就会产生很大的涡流损耗， 并使铁芯有效导磁率急速下降。这个使开关变压器磁芯有效导磁率急速下降的温度点，我们 把它称为居里温度点。在实际应用中，我们可以把开关变压器磁芯有效导磁率下降到值 的70%时的温度，定义为居里温度点。

　　如图6所示。图6 是日本TDK公司高导磁率材料H5C4 系列磁芯初始导磁率μi 随温度 变化的曲线图，其居里温度大约为105℃。

　　由图6可以看出，开关变压器磁芯的使用环境温度，对开关变压器的性能影响是非常大 的。但我们在使用开关变压器的时候，就很少有人去考虑或检测开关变压器磁芯的居里温度。 目前，一般开关变压器还都大量选用铁氧体磁芯，这种铁氧体磁芯的居里温度一般都在 120℃左右，因此，我们对开关变压器进行设计时工作温度不要超过110℃。

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