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陶老師談技術(shù)之二:關(guān)于開關(guān)電源變壓器需做電流迭加測(cè)試的說(shuō)明(一)

發(fā)布時(shí)間:2009-03-23

中心議題:
  • 開關(guān)變壓器伏秒容量參數(shù)的考慮和測(cè)量
解決方案:
  • 伏秒容量VT表示:一個(gè)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長(zhǎng)時(shí)間的沖擊
  • 在變壓器伏秒容量一定的條件下,輸入電壓越高,變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短
  • 反之,輸入電壓越低,變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長(zhǎng)
  • 一定工作電壓條件下,變壓器伏秒容量越大,變壓器鐵芯中磁通密度就越低,變壓器鐵芯就不容易飽和
  • 變壓器鐵芯的氣隙長(zhǎng)度留得越大,其平均導(dǎo)磁率就越小,而變壓器鐵芯就不容易飽和
  • 但變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率越小,變壓器初、次級(jí)線圈之間的漏感就越大
  • 在實(shí)際應(yīng)用中,一般把變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率下降到最大值的70%時(shí)的溫度,定義為居里溫度點(diǎn)
  • 對(duì)開關(guān)電源變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)工作溫度最好不要超過(guò)110℃

編者按:本文是陶顯芳老師專門為進(jìn)行公司內(nèi)部培訓(xùn)而寫的文章。非常感謝陶老師把它拿出來(lái)和大家分享。陶老師撰寫文章的初衷是為了提高本公司產(chǎn)品的質(zhì)量水平和提高本公司設(shè)計(jì)人員的業(yè)務(wù)水平;現(xiàn)在我們將它在更大的范圍內(nèi)推廣,相信會(huì)對(duì)提高整個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平帶來(lái)幫助。這是一件非常好的事情,再次感謝陶老師。大家看后有疑問(wèn)可在電子元件技術(shù)網(wǎng)陶老師主持的“電子系統(tǒng)電磁兼容與電路保護(hù)”專家論壇里提出,陶老師會(huì)給大家滿意的答復(fù)。

長(zhǎng)期以來(lái),我們公司產(chǎn)品中使用的開關(guān)電源變壓器、行推動(dòng)變壓器、高壓包等等開關(guān)變壓器,在對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)或測(cè)試的時(shí)候,只關(guān)心它的電感參數(shù)以及輸入、輸出電壓、電流參數(shù),而對(duì)于它的伏秒容量參數(shù)就很少有人進(jìn)行考慮和測(cè)量。

最近,由于公司部份產(chǎn)品的開關(guān)電源出了故障,才開始意識(shí)到開關(guān)電源變壓器伏秒容量參數(shù)的重要性。因此,這里簡(jiǎn)單介紹一下什么是開關(guān)電源變壓器的伏秒容量,然后再分析怎樣對(duì)開關(guān)電源變壓器的伏秒容量進(jìn)行測(cè)量,并定義其測(cè)量方法。

一、什么是變壓器的伏秒容量
圖1是反激式開關(guān)電源的工作原理圖,我們公司幾乎所有的CRT電視機(jī)都是采用反激式開關(guān)電源。




在圖1中,當(dāng)輸入電壓E加于開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1的兩端時(shí),由于變壓器次級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與流過(guò)二極管的電流方向正好相反,相當(dāng)于所有次級(jí)線圈均開路,此時(shí)開關(guān)變壓器相當(dāng)于一個(gè)電感L1。其等效電路如圖2-a) 所示,圖2-b) 是開關(guān)接通時(shí),電感兩端的電壓和流過(guò)電感L1的電流。




從圖2可以看出,流過(guò)變壓器的電流只有勵(lì)磁電流,變壓器鐵心中的磁通量全部都是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的。如果開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈的電感量是恒定的,或變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率永遠(yuǎn)保持不變;那么,當(dāng)控制開關(guān)接通以后,流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流就會(huì)隨時(shí)間增加而線性增加,變壓器鐵心中的磁通量也隨時(shí)間增加而線性增加。根據(jù)電磁感應(yīng)定理:


式中e1為變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì),L1為變壓器初級(jí)線圈的電感量, 為變壓器鐵心中的磁通量,E為變壓器初級(jí)線圈的輸入電壓。其中磁通量 還可以表示為:



上式中,k是一個(gè)與單位制相關(guān)的系數(shù),S為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,也稱磁通密度,即:?jiǎn)挝幻娣e的磁通量。把(2)式代入(1)式,并進(jìn)行積分:



由此求得:



(4)式就是計(jì)算反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中,N1為變壓器初級(jí)線圈N1繞組的最少匝數(shù),S為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積,單位:平方厘米;Bm為變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,單位:高斯;Br為變壓器鐵心的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度,單位:高斯),Br一般簡(jiǎn)稱剩磁;τ = Ton,為控制開關(guān)的接通時(shí)間,簡(jiǎn)稱脈沖寬度,或電源開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的寬度,單位:秒;E為工作電壓,單位為伏。式中的指數(shù)是統(tǒng)一單位用的,選用不同單位制,指數(shù)的值也不一樣,這里選用CGS單位制,即:長(zhǎng)度為厘米(cm),磁感應(yīng)強(qiáng)度為高斯(Gs),磁通單位為麥克斯韋(Mx)。

(5)式中, 就是變壓器的伏秒容量,即:伏秒容量等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積,這里我們把伏秒容量用VT來(lái)表示。伏秒容量VT表示:一個(gè)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長(zhǎng)時(shí)間的沖擊。

在變壓器伏秒容量一定的條件下,輸入電壓越高,變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短,反之,輸入電壓越低,變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長(zhǎng);而在一定的工作電壓條件下,變壓器的伏秒容量越大,變壓器的鐵芯中的磁通密度就越低,變壓器鐵芯就不容易飽和。

當(dāng)變壓器的鐵芯面積固定以后,變壓器的伏秒容量主要就是由磁通增量⊿B(⊿B = Bm-Br)的大小以及變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)N1來(lái)決定。另外,我們知道,磁感應(yīng)強(qiáng)度是由磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)決定的,即磁通增量⊿B也是由磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)決定的。如圖3所示。圖3中,虛線B為變壓器鐵芯的初始磁化曲線,初始磁化曲線就是變壓器鐵芯還沒(méi)有帶磁,第一次使用時(shí)的磁化曲線,一旦變壓器鐵芯帶上磁后,初始磁化曲線就不再存在了。因此,在開關(guān)變壓器中,變壓器鐵芯的磁化一般都不是按初始磁化曲線來(lái)進(jìn)行工作的,而是隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加和減少,磁感應(yīng)強(qiáng)度將沿著磁化曲線ab和ba,或磁化曲線cd和dc,來(lái)回變化。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行充磁;當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減少時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁。

磁場(chǎng)強(qiáng)度由0增加到H1,對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度由Br1沿著磁化曲線ab增加到Bm1;而當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度由H1下降到0時(shí),對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將由Bm1沿著磁化曲線ba下降到Br1。如果不考慮磁通的方向,磁通的變化量就是⊿B1 ,即磁通增量⊿B1 = Bm1-Br1。如果磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大,由0增加到H2,則磁化曲線將沿著曲線cd和dc進(jìn)行,對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的磁通增量⊿B2 = Bm2-Br2。



由圖3中可以看出,對(duì)應(yīng)不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度,即不同的磁化電流,磁通變化量也是不一樣的,并且磁通變化量與磁場(chǎng)強(qiáng)度不是線性關(guān)系。圖4是磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度相互變化的函數(shù)曲線圖。圖4中,曲線B是磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變化的曲線;曲線 為導(dǎo)磁率與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變化的曲線。其中:





由圖4中可以看出,導(dǎo)磁率最大的地方并不是磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度最小或最大的地方,而是位于磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度的某個(gè)中間值的地方。當(dāng)導(dǎo)磁率達(dá)到最大值之后,導(dǎo)磁率將隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度增大,而迅速下降;當(dāng)導(dǎo)磁率下降到將要接近0的時(shí)候,我們就認(rèn)為變壓器鐵芯已經(jīng)開始飽和。如圖中Bs和Hs。

由于導(dǎo)磁率的變化范圍太大,且容易飽和,因此,一般開關(guān)電源使用的開關(guān)變壓器都要在變壓器鐵芯中間留氣隙。圖5-a) 是中間留有氣隙變壓器鐵芯的原理圖,圖5-b) 是中間留有氣隙的變壓器鐵芯的磁化曲線圖,及計(jì)算變壓器鐵芯最佳氣隙長(zhǎng)度的原理圖。

圖5-b) 中,虛線是沒(méi)留有氣隙變壓器鐵芯的磁化曲線,實(shí)線是留有氣隙變壓器鐵芯的磁化曲線;曲線b是留有氣隙變壓器鐵芯的等效磁化曲線,其等效導(dǎo)磁率,即曲線的斜率為 ; 是留有氣隙變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率; 是沒(méi)留有氣隙時(shí)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率。

由圖5可以看出,變壓器鐵芯的氣隙長(zhǎng)度留得越大,其平均導(dǎo)磁率就越小,而變壓器鐵芯就不容易飽和;但變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率越小,變壓器初、次級(jí)線圈之間的漏感就越大。因此,變壓器鐵芯氣隙長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程,并且還要根據(jù)開關(guān)電源的輸出功率以及電壓變化范圍(占空比變化范圍)綜合考慮。比如,對(duì)于行輸出回掃變壓器(高壓包)鐵芯氣隙長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)就要比主開關(guān)電源變壓器的鐵芯氣隙長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)容易非常多。

實(shí)際上我們公司使用的開關(guān)電源變壓器基本上沒(méi)有人進(jìn)行過(guò)氣隙長(zhǎng)度的設(shè)計(jì),而是設(shè)計(jì)師根據(jù)變壓器的功率把變壓器初級(jí)電感量和匝數(shù)比計(jì)算好后,就讓變壓器生產(chǎn)廠自己調(diào)節(jié)變壓器的鐵芯氣隙長(zhǎng)度,以此來(lái)滿足設(shè)計(jì)師的要求,這種設(shè)計(jì)方法很容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題,最大的質(zhì)量問(wèn)題就是磁芯出現(xiàn)磁通密度飽和。

另外,變壓器磁芯也是一種半導(dǎo)體材料(金屬氧化物),很多半導(dǎo)體器件就是用金屬氧化物來(lái)制造的,如熱敏電阻、場(chǎng)效應(yīng)管等。半導(dǎo)體材料的特性就是受溫度的影響很靈敏,當(dāng)溫度上升到一定范圍以后,變壓器磁芯的電阻率就會(huì)變小,并開始導(dǎo)電。

因此,當(dāng)溫度升高到一定范圍以后,在變壓器磁芯內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生很大的渦流損耗,并使鐵芯有效導(dǎo)磁率急速下降。這個(gè)使變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率急速下降的溫度點(diǎn),我們把它稱為居里溫度點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中,一般我們可以把變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率下降到最大值的70%時(shí)的溫度,定義為居里溫度點(diǎn)。如圖6所示。

圖6是日本TDK公司高導(dǎo)磁率材料H5C4系列磁芯初始導(dǎo)磁率 隨溫度變化的曲線圖,其居里溫度大約為105℃。

由圖6可以看出,變壓器磁芯的使用環(huán)境溫度,對(duì)變壓器的性能影響是非常大的。但我們?cè)谑褂瞄_關(guān)電源變壓器的時(shí)候,就很少有人去考慮或檢測(cè)變壓器磁芯的居里溫度。大部份開關(guān)電源變壓器磁芯的居里溫度都在120℃左右,因此,我們對(duì)開關(guān)電源變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)工作溫度最好不要超過(guò)110℃。

 

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