开关电源原理与设计（连载78）

      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－Br）的大小以及开关变压器初级线圈的匝数N1来决定，如图2-50所示。

      从图2-50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2-50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，磁场强度对开关变压器铁芯进行退磁。

图50 磁感应强度是由磁场强度来决定的

      图2-50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2-50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2-51是磁感应强度与磁场强度相互变化的函数曲线图。图2-51中，曲线B是磁感应强度与磁场强度对应变化的曲线；曲线μ为导磁率与磁场强度对应变化的曲线；曲线iμ为励磁电流与磁场强度对应变化的曲线。

图51 磁感应强度与磁场强度相互变化的函数曲线图

      对于图2-51中：

      B=μH （2-147）

      iμ= Uτ /L （2-148）

      （2-147）和（2-148）式中，B为磁感应强度，H为磁场强度，μ为导磁率， iμ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，τ为脉冲宽度。

      由图2-51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。

[page]

图2－52 （a）中间留有气隙的开关变压器铁芯的原理图

图2－52 （b）中间留有气隙的开关变压器铁芯的磁化曲线图

      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2-52-a) 是中间留有气隙的开关变压器铁芯的原理图，图2-52-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。

      图2-52-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2-52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，请参考前面《2-1-13．开关变压器铁芯气隙的选取》章节的内容，更详细的内容准备留待以后面对开关变压器进行设计时再进行分析。

      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感应强度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，最大磁感应强度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，用于计算开关变压器伏秒容量的（2-146）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2-51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，铁氧体开关变压器的工作温度不能很高，一般不要超过 。图2-53是日本TDK公司高导磁率材料H5C4系列铁芯初始导磁率μi 随温度变化的曲线图，其居里温度Tc大约为120℃。

图2－53 日本TDK公司高导磁率材料H5C4系列铁芯初始导磁率μi 随温度变化的曲线图