• 開關變壓器伏秒容量參數的考慮和測量

• 伏秒容量VT表示：一個變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時間的衝擊
  
• 在變壓器伏秒容量一定的條件下，輸入電壓越高，變壓器能夠承受衝擊的時間就越短
  
• 反之，輸入電壓越低，變壓器能夠承受衝擊的時間就越長
  
• 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度留得越大，其平均導磁率就越小，而變壓器鐵芯就不容易飽和
  
• 但變壓器鐵芯的平均導磁率越小，變壓器初
  
  、次級線圈之間的漏感就越大
  
• 在實際應用中，一般把變壓器磁芯有效導磁率下降到最大值的70%時的溫度，定義為居裏溫度點
  
• 對開關電源變壓器進行設計時工作溫度最好不要超過110℃
  

編者按：benwenshitaoxianfanglaoshizhuanmenweijinxinggongsineibupeixunerxiedewenzhang。feichangganxietaolaoshibatanachulaihedajiafenxiang。taolaoshizhuanxiewenzhangdechuzhongshiweiletigaobengongsichanpindezhiliangshuipinghetigaobengongsishejirenyuandeyewushuiping；現xian在zai我wo們men將jiang它ta在zai更geng大da的de範fan圍wei內nei推tui廣guang，相xiang信xin會hui對dui提ti高gao整zheng個ge產chan業ye的de技ji術shu水shui平ping帶dai來lai幫bang助zhu。這zhe是shi一yi件jian非fei常chang好hao的de事shi情qing
，再zai次ci感gan謝xie陶tao老lao師shi。大da家jia看kan後hou有you疑yi問wen可ke在zai電dian子zi元yuan件jian技ji術shu網wang陶tao老lao師shi主zhu持chi的de“電子係統電磁兼容與電路保護”專家論壇裏提出
，陶老師會給大家滿意的答複。

長期以來，我們公司產品中使用的開關電源變壓器、行推動變壓器、高壓包等等開關變壓器
，在對其進行參數設計或測試的時候，隻關心它的電感參數以及輸入、輸出電壓、電流參數，而對於它的伏秒容量參數就很少有人進行考慮和測量。

最zui近jin，由you於yu公gong司si部bu份fen產chan品pin的de開kai關guan電dian源yuan出chu了le故gu障zhang，才cai開kai始shi意yi識shi到dao開kai關guan電dian源yuan變bian壓ya器qi伏fu秒miao容rong量liang參can數shu的de重zhong要yao性xing。因yin此ci，這zhe裏li簡jian單dan介jie紹shao一yi下xia什shen麼me是shi開kai關guan電dian源yuan變bian壓ya器qi的de伏fu秒miao容rong量liang，然ran後hou再zai分fen析xi怎zen樣yang對dui開kai關guan電dian源yuan變bian壓ya器qi的de伏fu秒miao容rong量liang進jin行xing測ce量liang，並bing定ding義yi其qi測ce量liang方fang法fa。

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




在圖1中，當輸入電壓E加於開關電源變壓器初級線圈N1的de兩liang端duan時shi
，由you於yu變bian壓ya器qi次ci級ji線xian圈quan產chan生sheng的de電dian動dong勢shi與yu流liu過guo二er極ji管guan的de電dian流liu方fang向xiang正zheng好hao相xiang反fan，相xiang當dang於yu所suo有you次ci級ji線xian圈quan均jun開kai路lu，此ci時shi開kai關guan變bian壓ya器qi相xiang當dang於yu一yi個ge電dian感ganL1。其等效電路如圖2-a) 所示，圖2-b) 是開關接通時，電感兩端的電壓和流過電感L1的電流。




從圖2可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，流(liu)過(guo)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)電(dian)流(liu)隻(zhi)有(you)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)，變(bian)壓(ya)器(qi)鐵(tie)心(xin)中(zhong)的(de)磁(ci)通(tong)量(liang)全(quan)部(bu)都(dou)是(shi)由(you)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)的(de)。如(ru)果(guo)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)變(bian)壓(ya)器(qi)初(chu)級(ji)線(xian)圈(quan)的(de)電(dian)感(gan)量(liang)是(shi)恒(heng)定(ding)的(de)，或(huo)變(bian)壓(ya)器(qi)鐵(tie)芯(xin)的(de)導(dao)磁(ci)率(lv)永(yong)遠(yuan)保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)；那(na)麼(me)，當(dang)控(kong)製(zhi)開(kai)關(guan)接(jie)通(tong)以(yi)後(hou)，流(liu)過(guo)變(bian)壓(ya)器(qi)初(chu)級(ji)線(xian)圈(quan)的(de)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)就(jiu)會(hui)隨(sui)時(shi)間(jian)增(zeng)加(jia)而(er)線(xian)性(xing)增(zeng)加(jia)，變(bian)壓(ya)器(qi)鐵(tie)心(xin)中(zhong)的(de)磁(ci)通(tong)量(liang)也(ye)隨(sui)時(shi)間(jian)增(zeng)加(jia)而(er)線(xian)性(xing)增(zeng)加(jia)。根(gen)據(ju)電(dian)磁(ci)感(gan)應(ying)定(ding)理(li)：


式中e1為變壓器初級線圈產生的電動勢，L1為變壓器初級線圈的電感量， 為變壓器鐵心中的磁通量，E為變壓器初級線圈的輸入電壓。其中磁通量 還可以表示為：



上式中，k是一個與單位製相關的係數
，S為變壓器鐵心的導磁麵積，B為磁感應強度，也稱磁通密度

，即：單位麵積的磁通量。把（2）式代入（1）式，並進行積分：



由此求得：

或

（4）式就是計算反激式開關電源變壓器初級線圈N1繞組匝數的公式。式中
，N1為變壓器初級線圈N1繞組的最少匝數，S為變壓器鐵心的導磁麵積，單位：平方厘米；Bm為變壓器鐵心的最大磁感應強度，單位：高斯；Br為變壓器鐵心的剩餘磁感應強度，單位：高斯），Br一般簡稱剩磁；τ = Ton，為控製開關的接通時間，簡稱脈衝寬度，或電源開關管導通時間的寬度，單位：秒
；E為工作電壓，單位為伏。式中的指數是統一單位用的，選用不同單位製，指數的值也不一樣，這裏選用CGS單位製
，即：長度為厘米（cm），磁感應強度為高斯（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：伏秒容量等於輸入脈衝電壓幅度與脈衝寬度的乘積，這裏我們把伏秒容量用VT來表示。伏秒容量VT表示：一個變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時間的衝擊。

在(zai)變(bian)壓(ya)器(qi)伏(fu)秒(miao)容(rong)量(liang)一(yi)定(ding)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)越(yue)高(gao)，變(bian)壓(ya)器(qi)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)衝(chong)擊(ji)的(de)時(shi)間(jian)就(jiu)越(yue)短(duan)，反(fan)之(zhi)，輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)越(yue)低(di)，變(bian)壓(ya)器(qi)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)衝(chong)擊(ji)的(de)時(shi)間(jian)就(jiu)越(yue)長(chang)；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。

當變壓器的鐵芯麵積固定以後
，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線圈的匝數N1來決定。另外，我們知道，磁感應強度是由磁場強度來決定的，即磁通增量⊿B也是由磁場強度來決定的。如圖3所示。圖3中
，虛線Bweibianyaqitiexindechushicihuaquxian，chushicihuaquxianjiushibianyaqitiexinhaimeiyoudaici，diyicishiyongshidecihuaquxian
，yidanbianyaqitiexindaishangcihou，chushicihuaquxianjiubuzaicunzaile。yinci，zaikaiguanbianyaqizhong，bianyaqitiexindecihuayibandoubushianchushicihuaquxianlaijinxinggongzuode
，ershisuizhecichangqiangduzengjiahejianshao
，ciganyingqiangdujiangyanzhecihuaquxianab和ba
，或磁化曲線cd和dc，來回變化。當磁場強度增加時，磁場強度對變壓器鐵芯進行充磁；當磁場強度減少時
，磁場強度對變壓器鐵芯進行退磁。

磁場強度由0增加到H1
，對應的磁感應強度由Br1沿著磁化曲線ab增加到Bm1
；而當磁場強度由H1下降到0時，對應的磁感應強度將由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。如果磁場強度進一步增大，由0增加到H2，則磁化曲線將沿著曲線cd和dc進行，對應產生的磁通增量⊿B2 = Bm2－Br2。



由圖3中可以看出，對應不同的磁場強度，即不同的磁化電流
，磁通變化量也是不一樣的，並且磁通變化量與磁場強度不是線性關係。圖4是磁感應強度與磁場強度相互變化的函數曲線圖。圖4中，曲線B是磁感應強度與磁場強度對應變化的曲線

；曲線 為導磁率與磁場強度對應變化的曲線。其中：





由圖4中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，導(dao)磁(ci)率(lv)最(zui)大(da)的(de)地(di)方(fang)並(bing)不(bu)是(shi)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)或(huo)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)最(zui)小(xiao)或(huo)最(zui)大(da)的(de)地(di)方(fang)，而(er)是(shi)位(wei)於(yu)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)或(huo)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)的(de)某(mou)個(ge)中(zhong)間(jian)值(zhi)的(de)地(di)方(fang)。當(dang)導(dao)磁(ci)率(lv)達(da)到(dao)最(zui)大(da)值(zhi)之(zhi)後(hou)
，導(dao)磁(ci)率(lv)將(jiang)隨(sui)著(zhe)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)或(huo)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)增(zeng)大(da)，而(er)迅(xun)速(su)下(xia)降(jiang)
；當導磁率下降到將要接近0的時候
，我們就認為變壓器鐵芯已經開始飽和。如圖中Bs和Hs。

由於導磁率的變化範圍太大，且容易飽和
，因此，一般開關電源使用的開關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
，及計算變壓器鐵芯最佳氣隙長度的原理圖。

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

由圖5可以看出，變壓器鐵芯的氣隙長度留得越大，其平均導磁率就越小，而變壓器鐵芯就不容易飽和；但變壓器鐵芯的平均導磁率越小，變壓器初、次級線圈之間的漏感就越大。因此，變壓器鐵芯氣隙長度的設計是一個比較複雜的計算過程
，並且還要根據開關電源的輸出功率以及電壓變化範圍（占空比變化範圍）綜合考慮。比如，對於行輸出回掃變壓器（高壓包）鐵芯氣隙長度的設計就要比主開關電源變壓器的鐵芯氣隙長度的設計容易非常多。

實shi際ji上shang我wo們men公gong司si使shi用yong的de開kai關guan電dian源yuan變bian壓ya器qi基ji本ben上shang沒mei有you人ren進jin行xing過guo氣qi隙xi長chang度du的de設she計ji
，而er是shi設she計ji師shi根gen據ju變bian壓ya器qi的de功gong率lv把ba變bian壓ya器qi初chu級ji電dian感gan量liang和he匝za數shu比bi計ji算suan好hao後hou，就jiu讓rang變bian壓ya器qi生sheng產chan廠chang自zi己ji調tiao節jie變bian壓ya器qi的de鐵tie芯xin氣qi隙xi長chang度du

，以yi此ci來lai滿man足zu設she計ji師shi的de要yao求qiu，這zhe種zhong設she計ji方fang法fa很hen容rong易yi出chu現xian質zhi量liang問wen題ti
，最zui大da的de質zhi量liang問wen題ti就jiu是shi磁ci芯xin出chu現xian磁ci通tong密mi度du飽bao和he。

另外
，變壓器磁芯也是一種半導體材料（金屬氧化物），很多半導體器件就是用金屬氧化物來製造的，如熱敏電阻、場效應管等。半導體材料的特性就是受溫度的影響很靈敏，當溫度上升到一定範圍以後，變壓器磁芯的電阻率就會變小，並開始導電。

因此
，當dang溫wen度du升sheng高gao到dao一yi定ding範fan圍wei以yi後hou，在zai變bian壓ya器qi磁ci芯xin內nei部bu就jiu會hui產chan生sheng很hen大da的de渦wo流liu損sun耗hao

，並bing使shi鐵tie芯xin有you效xiao導dao磁ci率lv急ji速su下xia降jiang。這zhe個ge使shi變bian壓ya器qi磁ci芯xin有you效xiao導dao磁ci率lv急ji速su下xia降jiang的de溫wen度du點dian，我wo們men把ba它ta稱cheng為wei居ju裏li溫wen度du點dian。在zai實shi際ji應ying用yong中zhong，一yi般ban我wo們men可ke以yi把ba變bian壓ya器qi磁ci芯xin有you效xiao導dao磁ci率lv下xia降jiang到dao最zui大da值zhi的de70%時的溫度，定義為居裏溫度點。如圖6所示。

圖6是日本TDK公司高導磁率材料H5C4係列磁芯初始導磁率 隨溫度變化的曲線圖，其居裏溫度大約為105℃。

由圖6可ke以yi看kan出chu
，變bian壓ya器qi磁ci芯xin的de使shi用yong環huan境jing溫wen度du
，對dui變bian壓ya器qi的de性xing能neng影ying響xiang是shi非fei常chang大da的de。但dan我wo們men在zai使shi用yong開kai關guan電dian源yuan變bian壓ya器qi的de時shi候hou，就jiu很hen少shao有you人ren去qu考kao慮lv或huo檢jian測ce變bian壓ya器qi磁ci芯xin的de居ju裏li溫wen度du。大da部bu份fen開kai關guan電dian源yuan變bian壓ya器qi磁ci芯xin的de居ju裏li溫wen度du都dou在zai120℃左右，因此，我們對開關電源變壓器進行設計時工作溫度最好不要超過110℃。