开关电源原理与设计（连载77）

      2-1-22．开关变压器伏秒容量的测量

      前面我们已经对变压器伏秒容量的概念有了一个比较初步的认识，为了加深对开关变压器伏秒容量的理解，下面我们还要对开关变压器伏秒容量的概念进一步进行详细分析。从原理上说，开关变压器的伏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，对脉冲变压器的概念认识也很少，因此，很多人对开关变压器伏秒容量的概念知之甚少，不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。其实，开关变压器的伏秒容量也是一个非常重要的参数。

      2-1-22-1．什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：

      VT=W/I （2-141）

      （2-141）式中，VT为伏秒容量，单位为伏•秒；W为功，W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的应用。图2-48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。

图2-48 反激式开关电源的工作原理图/

      在图2-48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2-49-a) 所示，图2-49-b) 是开关接通时，电感两端的电压和流过电感L1的电流。

图2－49 反激式开关电源的 等效电路

      从图2-49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：

      e1 = L1di/dt = N1dφ/dt = E —— K接通期间 （2-142）

      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， φ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 φ还可以表示为：

      φ= k×S×B （2-143）

      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，也称磁感应强度，即：单位面积的磁通量。

      把（2-143）式代入（2-142）式，并进行积分：

      （2-145）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；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=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），磁通单位为麦克斯韦（Mx）。

      （2-146）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（2-146）式中，磁感应强度一般都是取使用范围的最大值，因此，（2-146）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。

      （2-146）式与（2-141）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（2-146）式仅表示反激式开关变压器的伏秒容量，而（2-141）式则表示所有开关变压器的伏秒容量，所以，（2-141）式的应用范围比（2-146）式更大一些。

      从（2-141）式和（2-146）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感应强度就越低，开关变压器的铁芯就不容易饱和。