开关电源原理与设计（连载79）

      2-1-22-2．开关变压器伏秒容量的测量

      开关变压器作为开关电源的一个重要器件，在电路设计以及进行电路实验时，开关变压器的各项技术指标都应该进行测量，以保证开关变压器工作在安全状态，或最佳工作状态。

      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感应强度的位置上；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。因此，下面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。

      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感应强度饱和的主要原因，就是开关变压器的伏秒容量VT取得太小，使流过开关变压器初级线圈的励磁电流过大。下面我们来讨论，怎样对开关变压器伏秒容量VT进行测试的问题。

      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。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2-54 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2-54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2-54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 。

图2-55 开关变压器铁芯留有气隙的电流-电感和电流-磁感应强度函数曲线图

      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2-55。

      图2-55是开关变压器铁芯留有气隙的电流-电感和电流-磁感应强度函数曲线图，在图2-55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感应强度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感应强度B对应于迭加电流I的变化曲线（初始磁化曲线）。

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      当迭加电流I = 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感应强度开始出现饱和（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2-55中，改变迭加电流I的大小，其作用就相当于图2-49-b)中的锯齿电流i1 ，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感应强度Bm对应，那么，我们可以用图2-55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感应强度Bm。

      由于最大磁感应强度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：一个为极限磁感应强度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感应强度B，我们称之为极限磁感应强度Bmax。

      任何一个带铁芯的电感线圈都可以用图2-54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2-55中的Imax，对应的磁感应强度也不能超过图2-55中的Bmax。

      由前面（2-142）式：

      上面（2-149）式和（2-150）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Im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τ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。

      （2-151）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（2-150）式相对应，当（2-150）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（2-151）式与前面表示开关变压器伏秒容量的（2-146）式，两者是等同的，只是表示方式不一样。（2-146）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的伏秒容量，而（2-151）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，（2-151）式和（2-146）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（2-146）式，因为，电压与磁通增量的对应关系是基本固定的，但电感是受环境影响是经常改变的。

      （2-153）式是用来计算开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L0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，此电流可以采用图2-54和图2-55定义的方法来测量； L0.9为开关变压器初级线圈或储能电感线圈初始电感 下降到90%时的值。

      这里顺便说明， 与Imax，VTm与VTmax在性质上基本相同，只是后者用max来表示它是前者的极限值。