開關電源原理與設計（連載78）

圖2－52 （a）中間留有氣隙的開關變壓器鐵芯的原理圖

圖2－52 （b）中間留有氣隙的開關變壓器鐵芯的磁化曲線圖

由于導磁率的變化范圍太大，且容易飽和，因此，一般開關電源使用的開關變壓器都要在開關變壓器鐵芯中間留氣隙。圖2-52-a) 是中間留有氣隙的開關變壓器鐵芯的原理圖，圖2-52-b) 是中間留有氣隙的開關變壓器鐵芯的磁化曲線圖，及計算開關變壓器鐵芯最佳氣隙長度的原理圖。

圖2-52-b) 中，虛線是沒留有氣隙開關變壓器鐵芯的磁化曲線，實線是留有氣隙開關變壓器鐵芯的磁化曲線；曲線b是留有氣隙開關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tgβ ； μa是留有氣隙開關變壓器鐵芯的平均導磁率； μc是沒留有氣隙時開關變壓器鐵芯的導磁率。

由圖2-52可以看出，開關變壓器鐵芯的氣隙長度留得越大，其平均導磁率就越小，而開關變壓器鐵芯就不容易飽和；但開關變壓器鐵芯的平均導磁率越小，開關變壓器初、次級線圈之間的漏感就越大。因此，開關變壓器鐵芯氣隙長度的設計是一個比較復雜的計算過程，并且還要根據(jù)開關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。不過我們可以通過對開關變壓器伏秒容量的測量，同時檢查開關變壓器鐵芯氣隙長度留得是否合適。

關于開關變壓器鐵芯氣隙長度的設計，請參考前面《2-1-13．開關變壓器鐵芯氣隙的選取》章節(jié)的內(nèi)容，更詳細的內(nèi)容準備留待以后面對開關變壓器進行設計時再進行分析。

這里還需特別指出，同是一個開關變壓器，由于開關電源工作時占空比的不同，或者占空比在不斷地改變，使得開關變壓器鐵芯的磁化曲線也在不斷地改變，即：磁化曲線中的最大磁感應強度Bm和剩磁Br都不是一個固定值；當占空比比較大時，由于勵磁電流的增大，最大磁感應強度Bm也會相應提高，此時開關變壓器次級線圈的電流也會增加，從而使退磁電流也增加，退磁電流增加對降低開關變壓器鐵芯的剩磁Br很有利，使磁通增量⊿B也相應增加。因此，用于計算開關變壓器伏秒容量的（2-146）式，實際上只有計算開關變壓器的最大伏秒容量時才有意義。

另外，圖2-51中表示導磁率的 的曲線也不是一成不變的，它受溫度的影響非常大。因為，目前大多數(shù)開關變壓器使用的鐵芯材料，基本上都是鐵氧體導磁材料，這些鐵氧體變壓器鐵芯是由多種鐵磁金屬材料與非金屬材料混合在一起，然后按陶瓷的生產(chǎn)工藝，把鐵磁混合材料沖壓成型，最后加高溫燒結而成的。由于鐵氧體屬于金屬氧化物，大部分金屬氧化物都具有半導體材料的共同性質(zhì)，就是電阻率會隨溫度變化，并且變化率很大。熱敏電阻就是根據(jù)這些性質(zhì)制造出來的，溫度每升高一倍，電阻率就會下降（或上升）好幾倍，甚至幾百倍。大多數(shù)熱敏電阻的材料都屬于金屬氧化物，因此，鐵氧體也具有熱敏電阻的性質(zhì)。

鐵氧體變壓器鐵芯在常溫下，雖然電阻率很大，但當溫度升高時，電阻率會急速下降，使渦流損耗增加；當溫度升高到某個極限值時，變壓器初級線圈的有效電感量幾乎下降到0，相當于導磁率也下降到0，或相當于變壓器次級線圈被短路，此時的溫度稱為居里溫度，用Tc表示。因此，鐵氧體的電阻率和導磁率都是不穩(wěn)定的，鐵氧體開關變壓器的工作溫度不能很高，一般不要超過 。圖2-53是日本TDK公司高導磁率材料H5C4系列鐵芯初始導磁率μi 隨溫度變化的曲線圖，其居里溫度Tc大約為120℃。

圖2－53 日本TDK公司高導磁率材料H5C4系列鐵芯初始導磁率μi 隨溫度變化的曲線圖