開關電源原理與設計（連載77）

2-1-22．開關變壓器伏秒容量的測量

前面我們已經(jīng)對變壓器伏秒容量的概念有了一個比較初步的認識，為了加深對開關變壓器伏秒容量的理解，下面我們還要對開關變壓器伏秒容量的概念進一步進行詳細分析。從原理上說，開關變壓器的伏秒容量與開關變壓器的功率容量一樣重要，甚至比開關變壓器的功率容量還要重要，因為，當開關變壓器的工作電壓或脈沖寬度超過開關變壓器的伏秒容量的時候，開關變壓器初級線圈的電感量就會飽和，其電感量在很短的時間內(nèi)就會下降到接近0值，使電路中的電流迅速增加，致使電源開關管在瞬間就會過流損壞，與此同時，開關變壓器以及電路中的其它元件在很短的時間內(nèi)也過流或過壓損壞。

但由于長期以來，人們對變壓器的認識主要還是停留在正弦波變壓器的概念上，對開關變壓器的認識也只關心其電感量以及輸入、輸出電壓和電流等參數(shù)的大小，對脈沖變壓器的概念認識也很少，因此，很多人對開關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什么東西，或者怎樣對伏秒容量進行測試，以及怎樣使用伏秒容量這個參數(shù)。其實，開關變壓器的伏秒容量也是一個非常重要的參數(shù)。

2-1-22-1．什么是開關變壓器的伏秒容量

伏秒容量也是一個物理量，它表示單位電流在開關變壓器中存儲的能量，或單位電流在開關變壓器中所做的功，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為電流強度，單位為安倍。

這里我們以反激式開關電源的工作原理為例，詳細分析開關變壓器伏秒容量的應用。圖2-48是反激式開關電源的工作原理圖，目前70%以上的小功率開關電源都是采用反激式開關變壓器輸出電源。所謂反激式開關變壓器輸出電源，就是當開關變壓器的初級線圈正好被直流脈沖電壓激勵時，開關變壓器的次級線圈沒有向負載提供能量輸出，僅在開關變壓器初級線圈的激勵電壓消失之后，開關變壓器鐵芯中存儲的磁能量才通過次級線圈轉(zhuǎn)化成反電動勢向負載提供功率輸出，這種開關電源稱為反激式開關電源。

圖2-48 反激式開關電源的工作原理圖/

在圖2-48中，當輸入電壓E加于開關變壓器初級線圈N1的兩端時，由于開關變壓器次級線圈產(chǎn)生的電動勢與流過二極管的電流方向正好相反，相當于所有次級線圈均開路，此時開關變壓器相當于一個電感L1。其等效電路如圖2-49-a) 所示，圖2-49-b) 是開關接通時，電感兩端的電壓和流過電感L1的電流。

圖2－49 反激式開關電源的 等效電路

從圖2-49可以看出，流過開關變壓器的電流只有勵磁電流，即：開關變壓器鐵心中的磁通量全部都是由勵磁電流產(chǎn)生的。如果開關變壓器初級線圈的電感量是恒定的，或開關變壓器鐵芯的導磁率永遠保持不變；那么，當控制開關接通以后，流過開關變壓器初級線圈的勵磁電流就會隨時間增加而線性增加，開關變壓器鐵心中的磁通量也隨時間增加而線性增加。根據(jù)電磁感應定理：

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

式中e1為開關變壓器初級線圈產(chǎn)生的電動勢，L1為開關變壓器初級線圈的電感量， φ為開關變壓器鐵心中的磁通量，E為開關變壓器初級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是一個與單位制相關的系數(shù)，S為開關變壓器鐵心的導磁面積，B為磁感應強度，也稱磁感應強度，即：單位面積的磁通量。

把（2-143）式代入（2-142）式，并進行積分：

（2-145）式就是計算反激式開關變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中，N1為開關變壓器初級線圈N1繞組的最少匝數(shù)，S為開關變壓器鐵心的導磁面積，單位：平方厘米；Bm為開關變壓器鐵心的最大磁感應強度，單位：高斯；Br為開關變壓器鐵心的剩余磁感應強度，單位：高斯），Br一般簡稱剩磁；τ = Ton，為控制開關的接通時間，簡稱脈沖寬度，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(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：長度為厘米（cm），磁感應強度為高斯（Gs），磁通單位為麥克斯韋（Mx）。

（2-146）式中，E×? 就是開關變壓器的伏秒容量，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來表示。

由于（2-146）式中，磁感應強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也應該是表示開關變壓器伏秒容量的最大值，或額定值，這是使用伏秒容量時應該注意的地方。這和使用變壓器的功率時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式，只是具體表示方式有點不同，在這里（2-146）式僅表示反激式開關變壓器的伏秒容量，而（2-141）式則表示所有開關變壓器的伏秒容量，所以，（2-141）式的應用范圍比（2-146）式更大一些。

從（2-141）式和（2-146）式可以看出，伏秒容量對于開關變壓器來說，是一個非常重要的物理量，在應用中，開關變壓器的最大伏秒容量還表示：一個開關變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時間的沖擊。在開關變壓器伏秒容量一定的條件下，輸入電壓越高，開關變壓器能夠承受沖擊的時間就越短，反之，輸入電壓越低，開關變壓器能夠承受沖擊的時間就越長；而在一定工作電壓的條件下，開關變壓器的伏秒容量越大，開關變壓器鐵芯中的磁感應強度就越低，開關變壓器的鐵芯就不容易飽和。