开关变压器的伏秒容量与测量- 陶显芳（连载四）

四、开关变压器伏秒容量测量举例

上面我们已经分析开关变压器伏秒容量的意义和测量方法，下面我们再进一步举例来详细分析开关变压器伏秒容量的测量方法，以及通过对开关变压器伏秒容量的测量，验证开关变压器工作状态的合理性。

例1：电视机中使用的行扫描回扫开关变压器，简称高压包，其工作原理也属于反激式开关变压器，其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52  ，逆程扫描时间为12  。检测它的伏秒容量是否设计得合理，或它是否工作于最佳工作状态。

为此，我们可以根据（10）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。

把已知参数代入(10)式：

 (10)

即：

 （14）

根据上面分析，以及图8和图9，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：高压包铁芯的磁通密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：高压包铁芯的磁通密度工作于接近饱和区的范围之内，磁滞损耗以及涡流损耗都比较大，并且开关变压器容易出现磁饱和。

对于高压包或开关变压器除了测试伏秒容量的大小之外，还应该检测高压包或开关变压器初级线圈的漏感。正常漏感的数值一般小于初级线圈电感量的2%，如果太大，则说明变压器铁芯留的气隙长度过大，或者开关变压器初、次级线圈的结构或绕线方法不合理。

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的大小要求是测试电感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毫亨以上的带矽钢片铁芯的电感，电感的铁芯要留有一定的气隙；电流源可用一个稳压电源与一个大功率电阻串联代替，如图10；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11。

在图10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）；调节稳压电源的电压输出，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，在测试高压包或开关变压器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。通常，带磁的开关变压器初级线圈的电感量，要略大于没带磁开关变压器初级线圈的电感量。高压包退磁的方法请参考后面《5．开关变压器的消磁方法》一节的内容。

另外，用于测试高压包的迭加电流，其最大值Imax一般是高压包正常工作时流过初级线圈电流（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IA大约只有0.42 A，但迭加电流Imax的值为1.49 A ；由此可知，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大约为3A/mm2 左右，因此，流过高压包初级线圈漆包线迭加电流的最大电流密度约为10.5 A/mm2 。

通常漆包线在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也可以知道高压包线圈漆包线的选用是否合理。

这里顺便介绍一下电流平均值IA的求法，以及其与最大电流Im和极限电流Imax的关系。图12是电流平均值IA与最大电流Im和极限电流Imax之间的关系图。

图12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；  为正程扫描期间，流过高压包初级线圈的最大电流；  为正程扫描期间，流过高压包初级线圈电流的极限值；  为电视正程扫描时间（52  ），  为电视逆程扫描时间（12   ），  为正程扫描时间的极限值。

例2：电视机开关电源一般都是反激式脉冲调宽开关电源，它有两种工作方式：一种是脉冲调宽兼调频；另一种是工作频率不变，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。由于一般开关管的耐压最高只有600V，并且还要预留最少20%的余量，防止开关变压器漏感产生的反电动势脉冲；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 = 6.25 。
根据上面已知参数我们可以利用(10)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。

把已知参数代入(10)式：

  (10)

即：

（15）

根据前面分析，以及图8和图9，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太小，不合格。

顺便说明，开关变压器的伏秒容量合格或不合格，不但与工作电压有关，而且还与开关电源的占空比有关，即：与脉冲宽度有关。

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 。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  =  19.27  ，由此可以求得流过开关变压器初级线圈的最大电流Im为：

 （16）

比较（15）和（16）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是不一样的。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。正常漏感的数值一般小于初级线圈电感量的2%，如果太大，则说明变压器铁芯留的气隙长度过大，或者开关变压器初、次级线圈的结构或绕线方法不合理。

通过测试，如果我们已经知道开关变压器初级线圈的极限电流Imax的值，我们又怎样来确定开关变压器的工作电压和脉冲宽度 呢？

开关变压器的工作电压和脉冲宽度  的关系，同样可以根据(10)式求得。在选定工作电压的情况下，可把Im = 0.7 Imax代入(10)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（17）式和（18）式是计算脉冲宽度 和占空比D以及工作频率的关系式：

（17）

（18）

（17）和（18）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，  为电源开关管集电极（或漏极）的最大工作电压。一般  最多只能取电源开关管最大耐压值  的80% ，即选用电源开关管时，其耐压要留有20%的余量。

对于开关变压器伏秒容量的测试，必须结合具体电路进行。首先用示波器测量，在最高输入电压和负载最重的状态之下，电源开关管导通时的脉冲宽度  （或占空比D）；然后测试电源开关管集电极的最大工作电压  ，并且要求  小于电源开关管最大耐压值  的80% ；随后才根据(10)式计算流过开关变压器初级线圈的最大电流Im和极限电流值Imax，最后采用图7、10、11的方法来对开关变压器的极限伏秒容量VTmax进行测量和计算。

顺便指出，决定开关电源占空比D大小的主要因数是开关电源的输入电压与输出电压比Ui:Uo，即：开关变压器初、次级线圈的匝数比n。检查  的大小，实际上也是检查开关变压器初、次级线圈的匝数比n是否设计得合理。

此方法的好处是，不但可以对开关变压器的关键技术参数进行测试和监控，同时也可以检查设计师设计电路的参数是否合理。
这里还需指出，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。通常铁芯带有磁性的开关变压器初级线圈的电感量，要略大于铁芯没带磁性的开关变压器初级线圈的电感量。开关变压器退磁的方法请参考下一节的内容。