开关变压器伏秒容量测量举例

发布时间：2014-02-13 责任编辑：cicy

陶显芳老师谈开关变压器的工作原理与设计之一——开关变压器的伏秒容量与测量 http://www.cntronics.com/power-art/80022261

陶显芳老师谈开关变压器的工作原理与设计之二——对开关变压器的伏秒容量进行检测 http://www.cntronics.com/power-art/80022265

陶显芳老师谈开关变压器的工作原理与设计之三——开关变压器伏秒容量的意义 http://www.cntronics.com/power-art/80022276 例1：电视机中使用的行扫描回扫开关变压器，简称高压包，其工作原理属于脉冲变压器，但也属于反激式开关变压器的范畴。高压包的工作电压与占空比是固定的，其磁滞回线也基本是固定的，因此，高压包的铁芯气隙相对要留得比一般开关变压器的小，漏感相对也比较小。 高压包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 。这里我们检测它的伏秒容量是否设计得合理，或是否工作于最佳工作状态。 为此，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。 根据上面分析，以及图8和图10，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%，由此，可以求得流过高压包初级线圈的极限电流Imax为1.49 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：高压包铁芯的磁感应强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：高压包铁芯的磁感应强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，并且开关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，还应该检测高压包初级线圈的漏感。正常漏感的数值一般都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，或者高压包初、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隙；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11，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12。

[page] 在图11中，E为稳压电源，R为大功率电阻，阻值范围在1～10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）；调节稳压电源的输出电压，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。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14和图15，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13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。

图13中，Ip为流过高压包初级线圈的平均电流， 为正程扫描期间，流过高压包初级线圈的平均电流；Im为正程扫描期间，流过高压包初级线圈的最大电流；Imax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（52 uS）， 2为逆程扫描时间（12 uS），x 为极限正程扫描时间。 [page] 例2：电视机开关电源一般都是脉冲调宽反激式开关电源，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集成电路构成的他激式开关电源中使用。 设一个100W电视机开关电源使用的开关变压器，其初级线圈的电感量为1毫亨，其最高工作电压为360V，最低工作电压为110V。由于开关管的耐压一般只有600V左右，并且还要预留最少20%的余量，因此，在最高工作电压和负载最重的状态下，开关电源的占空比最大值只能取0.25，即：D = 0.25 ；当开关电源的负载为最重的时候，占空比也处于最大值。设开关电源的工作频率为40kHz，当占空比为最大值时电源开关管导通时的脉冲宽度 = 6.25uS 。 根据上面已知参数我们可以利用（8）式来计算流过开关变压器初级线圈的最大电流Im，然后再求其极限电流Imax的值，即：测试开关变压器初级线圈电感时选用的迭加电流值。  

根据前面分析，以及图8和图11，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%，由此，可以求得流过高压包初级线圈的极限电流Imax为3.21 A 。 上面计算出来的极限电流Imax值，就是用来测试开关变压器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3.21 A ，即：测试开关变压器初级线圈的迭加电流为3.21 A，然后测试开关变压器初级线圈的电感；如果测试结果Lx等于或者大于初始电感L0的90%，则说明，开关变压器初级线圈的伏秒容量设计是合格的；如果测试结果Lx小于初始电感L0的90%，则说明，开关变压器初级线圈的伏秒容量余量非常小，不合格。 假设其它参数不变，而把工作电压由360V降为110V时，开关电源的最大占空比可取值为0.7708，即：D = 0.7708 。由此可求得，当开关电源的工作频率为40kHz时，电源开关管导通时的脉冲宽度= 19.27uS ，由此可以求得流过开关变压器初级线圈的最大电流Im为：    比较（14）和（15）式可以看出，虽然开关变压器的工作电压不同，但两式最大工作电流Im以及极限电流Imax基本上是一样的。值得注意的是，虽然他们的最大电流值基本相同，但它们的平均电流值却不一样。前者的平均电流为0.281A，后者的平均电流为0.817A 。因此，在选取开关变压器初级线圈漆包线粗细的时候，一定要按平均电流的大小来选取。由此可知，一个双电压开关电源（110V/220V），其工作效率要比单电压开关电源低，因为，双电压开关电源铜阻损耗要比单电压开关电源大很多。 同理，除了测试开关变压器初级线圈伏秒容量的大小之外，还应该检测开关变压器初级线圈的漏感大小。反激式开关变压器初级线圈的漏感一般都小于初级线圈电感量的5%，如果太大，则说明铁芯留的气隙长度过大，或者开关变压器初、次级线圈的绕线方法或结构不合理。 当我们通过测试，知道开关变压器初级线圈的极限电流Imax数值，再根据（8）式或（10）式，就可以知道开关变压器伏秒容量的最大值VTm，或开关变压器伏秒容量的极限值VTmax ；根据VTm值，我们就可以进一步来确定开关变压器的工作电压和脉冲宽度。 开关变压器的工作电压和脉冲宽度的关系，可以根据（8）式求得。在选定工作电压的情况下，可把Im = 0.7 Imax代入（8）式，即可求得最大脉冲宽度m 。 然后再根据脉冲宽度进一步求占空比D和工作频率。下面（16）式和（17）式是计算脉冲宽度和占空比D以及工作频率的关系式：

（16）式中，D为开关电源工作时的占空比，Dm为开关电源工作时的最大占空比，为脉冲宽度，T为开关电源的工作周期，F为工作频率，E为开关电源的工作电压，Ucmax为电源开关管集电极（或漏极）的最大工作电压。一般Ucmax 的最大值只能取到电源开关管最大耐压值BVceo 的80% ，即选用电源开关管时，其耐压要留有20%的余量。因此，对开关变压器伏秒容量的测试，必须结合具体电路进行。 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。

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