陶顯芳老師談開關變壓器的工作原理與設計之一——開關變壓器的伏秒容量與測量
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陶顯芳老師談開關變壓器的工作原理與設計之二——對開關變壓器的伏秒容量進行檢測
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陶顯芳老師談開關變壓器的工作原理與設計之三——開關變壓器伏秒容量的意義
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例1：電視機中使用的行掃描回掃開關變壓器，簡稱高壓包，其工作原理屬于脈沖變壓器，但也屬于反激式開關變壓器的范疇。高壓包的工作電壓與占空比是固定的，其磁滯回線也基本是固定的，因此，高壓包的鐵芯氣隙相對要留得比一般開關變壓器的小，漏感相對也比較小。

高壓包初級線圈的電感量為6毫亨，工作電壓一般為120V，正程掃描時間（脈沖寬度）為52uS ，逆程掃描時間為12uS 。這里我們檢測它的伏秒容量是否設計得合理，或是否工作于最佳工作狀態。

為此，我們可以根據（8）式，先計算流過高壓包初級線圈的最大電流Im，然后再求其極限電流Imax的值，即：測試時選用迭加電流的值。


根據上面分析，以及圖8和圖10，正常工作時，流過高壓包初級線圈的最大電流Im不應該超過極限電流值Imax的70%，由此，可以求得流過高壓包初級線圈的極限電流Imax為1.49 A 。

上面計算出來的極限電流Imax值，就是用來測試高壓包初級線圈的迭加電流的數值。根據圖7，把電流源的電流設置為1.49 A，即：設置測試高壓包初級線圈的迭加電流為1.49 A，然后測試高壓包初級線圈的電感；如果測試結果Lx的數值等于或者大于初始電感L0的90%，則說明，高壓包初級線圈的伏秒容量設計是合格的，即：高壓包鐵芯的磁感應強度基本工作于最佳狀態范圍之內；如果測試結果Lx小于初始電感L0的90%，則說明，高壓包初級線圈的伏秒容量余量太小，不合格，即：高壓包鐵芯的磁感應強度工作于接近飽和區的范圍之內，磁滯損耗以及渦流損耗比較大，并且開關變壓器容易出現磁飽和。

對于高壓包除了測試伏秒容量的大小之外，還應該檢測高壓包初級線圈的漏感。正常漏感的數值一般都小于初級線圈電感量的2%，如果太大，則說明鐵芯留的氣隙長度過大，或者高壓包初、次級線圈的繞線方法或結構不合理。

這里順便說明，采用圖7測試時應該注意的地方。圖7中，隔離電感LT的數值要求是測試電感Lx數值的3倍以上，并且測量高壓包初級線圈的初始電感值L0時，最好也要接入電路之中。這里，隔離電感LT可選取20毫亨以上的矽鋼片直流電感，電感的鐵芯要留有氣隙；流電源可用一個穩壓電源與一個大功率電阻串聯代替，如圖11，或用一個穩壓電源與一個大功率晶體放大器串聯來代替，如圖12。

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在圖11中，E為穩壓電源，R為大功率電阻，阻值范圍在1～10歐姆比較合適，阻值太大損耗功率會很大；調節穩壓電源的電壓輸出，就可以調節迭加電流的大小。
 

在圖11中，E為穩壓電源，Rx為可調電阻，Q為晶體管大功率放大器（必須帶散熱片）；調節穩壓電源的輸出電壓，或改變可變電阻的阻值，就可以改變迭加電流的大小，但晶體管大功率放大器集電極與發射極之間的電壓降不要大于10V，否則，晶體管大功率放大器的損耗將很大。一般穩壓電源都有電流輸出指示，所以在測試電路中不需要另外安裝電流表。

這里特別指出，在測試高壓包初級線圈的初始電感L0的時候，高壓包的鐵芯必須要退磁，否則，測試結果將不準確。一般帶有磁性的開關變壓器初級線圈的電感量，要略大于沒帶磁性開關變壓器初級線圈的電感量。高壓包退磁的方法請參考圖14和圖15，以及說明。

另外，迭加電流Imax的值一般是正常工作時，流過高壓包初級線圈電流（平均值或有效值）的好幾倍。例如：上例測試的高壓包，正常工作時，其平均電流Ip大約才有0.42 A，但迭加電流Imax的值為1.49 A ；由此求得，迭加電流Imax的值是正常工作時平均電流的3.5倍。一般高壓包初級線圈漆包線的電流密度都小于3A/mm2 ，從而可求得，流過高壓包初級線圈漆包線迭加電流的最大電流密度為10.5 A/mm2 。

因此，通過對高壓包初級線圈伏秒容量的檢查，同時也是對高壓包初級線圈的線徑進行檢查。一般漆包線在40度溫升的情況下，其最大電流密度大約在13A/ mm2左右（直流），因此，通過測量高壓包線圈的溫升就可以知道高壓包線圈的設計是否合理。

這里順便介紹一下電流平均值Ip的求法，以及其與最大電流Im和極限電流Imax的關系。圖13是電流平均值Ip與最大電流Im和極限電流Imax之間的關系圖。

圖13中，Ip為流過高壓包初級線圈的平均電流， 為正程掃描期間，流過高壓包初級線圈的平均電流；Im為正程掃描期間，流過高壓包初級線圈的最大電流；Imax為正程掃描期間，流過高壓包初級線圈的極限電流； 1為正程掃描時間（52 uS）， 2為逆程掃描時間（12 uS），x 為極限正程掃描時間。

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例2：電視機開關電源一般都是脈沖調寬反激式開關電源，它有兩種工作方式：一種是脈沖調寬兼調頻工作方式；另一種工作方式是工作頻率不變，只對脈沖寬度進行調制。前一種工作方式多在自激式開關電源中使用，后一種工作方式多在由集成電路構成的他激式開關電源中使用。

設一個100W電視機開關電源使用的開關變壓器，其初級線圈的電感量為1毫亨，其最高工作電壓為360V，最低工作電壓為110V。由于開關管的耐壓一般只有600V左右，并且還要預留最少20%的余量，因此，在最高工作電壓和負載最重的狀態下，開關電源的占空比最大值只能取0.25，即：D = 0.25 ；當開關電源的負載為最重的時候，占空比也處于最大值。設開關電源的工作頻率為40kHz，當占空比為最大值時電源開關管導通時的脈沖寬度 = 6.25uS 。

根據上面已知參數我們可以利用（8）式來計算流過開關變壓器初級線圈的最大電流Im，然后再求其極限電流Imax的值，即：測試開關變壓器初級線圈電感時選用的迭加電流值。
 

根據前面分析，以及圖8和圖11，正常工作時，流過高壓包初級線圈的最大電流Im不應該超過極限電流值Imax的70%，由此，可以求得流過高壓包初級線圈的極限電流Imax為3.21 A 。

上面計算出來的極限電流Imax值，就是用來測試開關變壓器初級線圈的迭加電流的數值。根據圖7，把電流源的電流設置為3.21 A ，即：測試開關變壓器初級線圈的迭加電流為3.21 A，然后測試開關變壓器初級線圈的電感；如果測試結果Lx等于或者大于初始電感L0的90%，則說明，開關變壓器初級線圈的伏秒容量設計是合格的；如果測試結果Lx小于初始電感L0的90%，則說明，開關變壓器初級線圈的伏秒容量余量非常小，不合格。

假設其它參數不變，而把工作電壓由360V降為110V時，開關電源的最大占空比可取值為0.7708，即：D = 0.7708 。由此可求得，當開關電源的工作頻率為40kHz時，電源開關管導通時的脈沖寬度= 19.27uS ，由此可以求得流過開關變壓器初級線圈的最大電流Im為：   
比較（14）和（15）式可以看出，雖然開關變壓器的工作電壓不同，但兩式最大工作電流Im以及極限電流Imax基本上是一樣的。值得注意的是，雖然他們的最大電流值基本相同，但它們的平均電流值卻不一樣。前者的平均電流為0.281A，后者的平均電流為0.817A 。因此，在選取開關變壓器初級線圈漆包線粗細的時候，一定要按平均電流的大小來選取。由此可知，一個雙電壓開關電源（110V/220V），其工作效率要比單電壓開關電源低，因為，雙電壓開關電源銅阻損耗要比單電壓開關電源大很多。

同理，除了測試開關變壓器初級線圈伏秒容量的大小之外，還應該檢測開關變壓器初級線圈的漏感大小。反激式開關變壓器初級線圈的漏感一般都小于初級線圈電感量的5%，如果太大，則說明鐵芯留的氣隙長度過大，或者開關變壓器初、次級線圈的繞線方法或結構不合理。

當我們通過測試，知道開關變壓器初級線圈的極限電流Imax數值，再根據（8）式或（10）式，就可以知道開關變壓器伏秒容量的最大值VTm，或開關變壓器伏秒容量的極限值VTmax ；根據VTm值，我們就可以進一步來確定開關變壓器的工作電壓和脈沖寬度。

開關變壓器的工作電壓和脈沖寬度的關系，可以根據（8）式求得。在選定工作電壓的情況下，可把Im = 0.7 Imax代入（8）式，即可求得最大脈沖寬度m 。
然后再根據脈沖寬度進一步求占空比D和工作頻率。下面（16）式和（17）式是計算脈沖寬度和占空比D以及工作頻率的關系式：

（16）式中，D為開關電源工作時的占空比，Dm為開關電源工作時的最大占空比，為脈沖寬度，T為開關電源的工作周期，F為工作頻率，E為開關電源的工作電壓，Ucmax為電源開關管集電極（或漏極）的最大工作電壓。一般Ucmax 的最大值只能取到電源開關管最大耐壓值BVceo 的80% ，即選用電源開關管時，其耐壓要留有20%的余量。因此，對開關變壓器伏秒容量的測試，必須結合具體電路進行。

這里還需特別指出，在測試開關變壓器初級線圈的初始電感L0的時候，開關變壓器的鐵芯必須要退磁，否則，測試結果將不準確。一般帶有磁性的開關變壓器初級線圈的電感量，要略大于沒帶磁性開關變壓器初級線圈的電感量。