開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載77）

2-1-22．開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量的測(cè)量

前面我們已經(jīng)對(duì)變壓器伏秒容量的概念有了一個(gè)比較初步的認(rèn)識(shí)，為了加深對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量的理解，下面我們還要對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量的概念進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)分析。從原理上說(shuō)，開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量與開(kāi)關(guān)變壓器的功率容量一樣重要，甚至比開(kāi)關(guān)變壓器的功率容量還要重要，因?yàn)?，?dāng)開(kāi)關(guān)變壓器的工作電壓或脈沖寬度超過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量的時(shí)候，開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量就會(huì)飽和，其電感量在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)下降到接近0值，使電路中的電流迅速增加，致使電源開(kāi)關(guān)管在瞬間就會(huì)過(guò)流損壞，與此同時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器以及電路中的其它元件在很短的時(shí)間內(nèi)也過(guò)流或過(guò)壓損壞。

但由于長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)變壓器的認(rèn)識(shí)主要還是停留在正弦波變壓器的概念上，對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器的認(rèn)識(shí)也只關(guān)心其電感量以及輸入、輸出電壓和電流等參數(shù)的大小，對(duì)脈沖變壓器的概念認(rèn)識(shí)也很少，因此，很多人對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量的概念知之甚少，不清楚伏秒容量到底是個(gè)什么東西，或者怎樣對(duì)伏秒容量進(jìn)行測(cè)試，以及怎樣使用伏秒容量這個(gè)參數(shù)。其實(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量也是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

2-1-22-1．什么是開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量

伏秒容量也是一個(gè)物理量，它表示單位電流在開(kāi)關(guān)變壓器中存儲(chǔ)的能量，或單位電流在開(kāi)關(guān)變壓器中所做的功，即：

VT=W/I （2-141）

（2-141）式中，VT為伏秒容量，單位為伏?秒；W為功，W單位為焦耳，或瓦特?秒；I為電流強(qiáng)度，單位為安倍。

這里我們以反激式開(kāi)關(guān)電源的工作原理為例，詳細(xì)分析開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量的應(yīng)用。圖2-48是反激式開(kāi)關(guān)電源的工作原理圖，目前70%以上的小功率開(kāi)關(guān)電源都是采用反激式開(kāi)關(guān)變壓器輸出電源。所謂反激式開(kāi)關(guān)變壓器輸出電源，就是當(dāng)開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流脈沖電壓激勵(lì)時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)線圈沒(méi)有向負(fù)載提供能量輸出，僅在開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓消失之后，開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯中存儲(chǔ)的磁能量才通過(guò)次級(jí)線圈轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢(shì)向負(fù)載提供功率輸出，這種開(kāi)關(guān)電源稱(chēng)為反激式開(kāi)關(guān)電源。

圖2-48 反激式開(kāi)關(guān)電源的工作原理圖/

在圖2-48中，當(dāng)輸入電壓E加于開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1的兩端時(shí)，由于開(kāi)關(guān)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(kāi)路，此時(shí)開(kāi)關(guān)變壓器相當(dāng)于一個(gè)電感L1。其等效電路如圖2-49-a) 所示，圖2-49-b) 是開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電感兩端的電壓和流過(guò)電感L1的電流。

圖2－49 反激式開(kāi)關(guān)電源的 等效電路

從圖2-49可以看出，流過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器的電流只有勵(lì)磁電流，即：開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量是恒定的，或開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率永遠(yuǎn)保持不變；那么，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)接通以后，流過(guò)開(kāi)關(guān)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，開(kāi)關(guān)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：

e1 = L1di/dt = N1dφ/dt = E —— K接通期間 （2-142）

式中e1為開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，L1為開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量， φ為開(kāi)關(guān)變壓器鐵心中的磁通量，E為開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈兩端的輸入電壓。其中磁通量 φ還可以表示為：

φ= k×S×B （2-143）

上式中，k是一個(gè)與單位制相關(guān)的系數(shù)，S為開(kāi)關(guān)變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，也稱(chēng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，即：?jiǎn)挝幻娣e的磁通量。

把（2-143）式代入（2-142）式，并進(jìn)行積分：

（2-145）式就是計(jì)算反激式開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中，N1為開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組的最少匝數(shù)，S為開(kāi)關(guān)變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積，單位：平方厘米；Bm為開(kāi)關(guān)變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：高斯；Br為開(kāi)關(guān)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(chēng)剩磁；τ = Ton，為控制開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間，簡(jiǎn)稱(chēng)脈沖寬度，或電源開(kāi)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)（k=108）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）。

（2-146）式中，E×? 就是開(kāi)關(guān)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。

由于（2-146）式中，磁感應(yīng)強(qiáng)度一般都是取使用范圍的最大值，因此，（2-146）式中的伏秒容量VT也應(yīng)該是表示開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量的最大值，或額定值，這是使用伏秒容量時(shí)應(yīng)該注意的地方。這和使用變壓器的功率時(shí)的情況基本是一樣的，即：變壓器的功率一般都指額定輸出功率。

（2-146）式與（2-141）式都是變壓器伏秒容量的表達(dá)式，只是具體表示方式有點(diǎn)不同，在這里（2-146）式僅表示反激式開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量，而（2-141）式則表示所有開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量，所以，（2-141）式的應(yīng)用范圍比（2-146）式更大一些。

從（2-141）式和（2-146）式可以看出，伏秒容量對(duì)于開(kāi)關(guān)變壓器來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常重要的物理量，在應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)變壓器的最大伏秒容量還表示：一個(gè)開(kāi)關(guān)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長(zhǎng)時(shí)間的沖擊。在開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量一定的條件下，輸入電壓越高，開(kāi)關(guān)變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短，反之，輸入電壓越低，開(kāi)關(guān)變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長(zhǎng)；而在一定工作電壓的條件下，開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量越大，開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越低，開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯就不容易飽和。