开关电源变压器的伏秒容量与测量.docx

1、开关电源变压器的伏秒容量与测量开关电源变压器的伏秒容量与测量1r2BHB0Hs图3Br1H1H2m1m2BBBs12abcdBB图3中,虚线B为变压器铁芯的初始磁化曲线,所谓的初始磁化曲线就是变压器铁芯还没有带磁,第一次使用时的磁化曲线,一旦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,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,5来回变化.当磁场强度增加时,磁场强度对变压器铁芯进行充磁;当磁场强度减少时,磁场强度对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

2、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;曲线为导磁率与磁场强度对应变化的曲线.其中: HB=

3、 (6) 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,而是位于磁感应强度或磁场强度的某个中间值的地方.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变压器铁芯中间留气隙.图5-a) 是中间留有气隙变压器铁芯的原理图,图5-b) 是中间留有气隙的变压器铁芯的磁化曲线图,及计算变压器铁芯最佳气隙长度的原理图. 图5-b) 中,虚线是没留有气隙变压器铁芯的磁化曲线,实线是留有气

4、隙变压器铁芯的磁化曲线;曲线b是留有气隙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tg;a是留有气隙变压器铁芯的平均导磁率;c是没留有气隙时变压器铁芯的导磁率. 由图5可以看出,变压器铁芯的气隙长度留得越大,其平均导磁率就越小,而变压器铁芯就不容易饱和;但变压器铁芯的平均导磁率越小,变压器初,次级线圈之间的漏感就越大.因此,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电源变压器伏秒容量的测量,同时检查变压器铁芯气隙长度留得是否合适.关于变压器铁芯气隙长度的设计,准备留待以后有机会再

5、进行详细分析. 6顺便说明,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.由于变压器磁芯也是一种感量是受流过变压器线圈的直流分量调制的.如果我们把流过变压器线圈的最大电流Im与变压器铁芯的最大磁通密度Bm对应,那么,我们可以用图8来定义流过变压器线圈的最大电流Im和变压器铁芯的最大磁通密度Bm. 10 0.9L0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. 我们定义:当流过变压器初级线圈的电流I,使变压器初级线圈的电感L下降到初始电感L0的90%时,此时流变压器线圈的电流,我们称之为极限

6、电流Imax,对应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11 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,就可以计算出开关电源变压器或储能电感线圈的极限伏秒容量VTmax.在开关变压器的使用过程中,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

7、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,开关电源变压器(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中的Bmax. 由前面(1)式: e1 = L1dtdi= N1dtd= E K接通期间 (1) 可以求得: =ttdtLEdtLei01011 K接通期间 (7) 即: 11VLTLEIm= (8) 或 1VLITm= (9) 以及 9.0max9.0maxVLTLEIm= (10) 或 9.0maxmaxVLIT= (11) 上面(8)式是用

8、来计算开关电源变压器初级线圈或储能电感线圈电流的公式,式中mI流开关电源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,流过变压器初级线圈或储能电感线圈电流的瞬时值;E为开关电源的工作电压,V为加于变压器初级线圈两端的输入电压(直流脉冲电压),L1为变压器初级线圈电感量. (9)式是用来计算开关电源变压器或储能电感线圈伏秒容量VT的公式.与(8)式和(9)式对应. (10)式是用来计算开关电源变压器或储能电感线圈的极限伏秒容量VTmax的公式.12 式中:VTmax变压器或电感线圈或储能电感线圈的极限伏秒容量,V为加于开关电源变压器初级线圈两端直流脉冲的幅度(单位:伏

9、),Tmax为加于开关电源变压器初级线圈或储能电感线圈两端直流脉冲的极限时间(宽度,单位:秒); Imax就是根据图7对开关电源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,使开关电源变压器初级线圈或储能电感线圈的测量电感Lx等于初始电感量0L的0.9倍时,流过开关电源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看成是流过开关电源变压器初级线圈或储能电感线圈的极限电流值,此电流可以采用图7和图8定义的方法来测量;9.0L为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

10、相同,只是后者用max来表示它是前者的极限值. 三,开关变压器伏秒容量的意义 开关电源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,晶体管就会被击穿损坏.同样,在开关电源中,当施加于开关电源变压器的伏秒容量(电压幅度与时间长度)超过极限伏秒容量VTmax时,开关电源变压器也要损坏,并且还会损坏电源开关管,及其它电路. 开关变压器伏秒容量的意义相当于图9中矩形的面积,面积的两条边分别由开关变压器的工作电压(直流脉冲幅度)V和通电持续时间T(脉冲宽度)的乘积组成

11、.其极限伏秒容量相当于黄色区域部分的面积,绿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. 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边上的长度. 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. 13 TV0图9工作区安全区安全区maxbmaxVbV危险区危险区当流过开关变压器线圈的最大工作电流等于图8中bI时,变压器线圈的电感量为最大值maxL;在此种情况下,变压器的工作效率最高,因为,此时变压器铁芯损耗与变压器线圈损耗的乘

12、积最小(磁滞损耗与励磁电流的大小成正比,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,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,一般开关电源变压器还都大量选用铁氧体磁芯,这种铁氧体磁芯的磁饱和磁通密度Bs一般为45005000高斯,因此,由图8可以看出,开关电源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(4)式对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. 由于开关电源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

13、们才能知道开关电源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电源变压器,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 这个必须通过对开关电源变压器伏秒容量的测量,才能最后作出决定,同时还可以检查变压器铁芯气隙长度留得是否合适. 下面我们通过对开关电源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. 14 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

14、扫描回扫变压器,简称高压包,其工作原理也属于反激式开关电源变压器,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,逆程扫描时间为12uS.检测它的伏秒容量是否设计得合理,或是否工作与最佳工作状态. 此,我们可以根据(8)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. 把已知参数代入(8)式: 11VLTLEIm= (8) 即: A 04.11052106120V631=-LEIm (12) 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

15、%,由此,可以求得流过高压包初级线圈的极限电流Imax1.49 A . 上面计算出来的极限电流Imax值,就是用来测试高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比较大

16、,并且变压器容易出现磁饱和. 对于高压包除了测试伏秒容量的大小之外,还应该检测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,则说明铁芯留的气隙长度过大,或者变压器初,次级线圈的绕线方法或结构不合理. 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的数值要求是测试电感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毫亨以上的矽钢片直流电感,电感的铁芯要留有气15 ;流电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. 图

17、10LXMERLT在图10中,E为稳压电源,R为大功率电阻,阻值范围在110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. 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16 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. 这里特别指出,在测试高压包初级线圈的初始电感L0的时候,高压包的铁芯必须要退磁,否则,测试结果将不准确.

18、一般带有磁性的开关变压器初级线圈的电感量,要略大于没带磁性开关变压器初级线圈的电感量.高压包退磁的方法请参考图13和图14,以及说明. 另外,迭加电流Imax的值一般是正常工作时流过高压包初级线圈电流(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Ip大约才有0.42 A,但迭加电流Imax的值为1.49 A ;由此求得,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都小于3A/mm2 ,从而可求得,流过高压包初级线圈漆包线迭加电流的最大电流密度为10.5 A/mm2 . 因此,通过对高压包初级线圈伏秒容量的检查,同时也是对高压

19、包初级线圈的线径进行检查.一般漆包线在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就可以知道高压包线圈的设计是否合理. 这里顺便介绍一下电流平均值Ip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Ip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电流;maxI为正程扫描期间,流过高压包初级线圈的极限电流;1为正程扫描时间(52uS),

20、2为逆程扫描时17 间(12uS),x为极限正程扫描时间. 例2:电视机开关电源一般都是脉冲调宽式反激式开关电源,它有两种工作方式:一种是脉冲调宽兼调频工作方式;另一种工作方式是工作频率不变,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由计师设计电路的参数是否合理. 这里还需特别指出,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.一般带有磁性的开关变压器初级线圈的电感量,要略大于没带磁性开关变压器初级线圈的电感量.开关变压器退磁的方法请参考图13和图14,以及说明. 六,开关变压器的消磁方法 任何铁磁材料被

21、磁化后都会带磁,开关电源变压器铁芯也不例外,只不过由于开关电源变压器铁芯选用的是软磁材料,其剩磁的磁场强度相对于磁性材料来说比较低罢了. 开关电源变压器退磁的最好方法是让变压器初级线圈在非常短的时间内通过一个幅度35倍Imax(极限电流)的阻尼振荡电流.因此,可用一个2040欧姆的消磁热敏电阻(可用两个消磁热敏电阻串联)与高压包初级线圈串联,然后接到110220V/50Hz交流电源上,大约需要20多秒钟,待消磁热敏电阻完全加热后,即可达到退磁的目的,如图13所示.在图13中,RT为热敏电阻,Lx为开关电源变压器的初级线圈. 对于小功率开关电源变压器,由于容许流过变压器初级线圈的电流比较小,因此,在消磁电路中需要采取限流措施. 具体方法是,先用一个零点几法拉的