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开关变压器的伏秒容量与测量(连载4)
陶显芳
摘要: 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。
Abstract:
Key words :

   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。一般带有磁性的开关变压器初级线圈的电感量,要略大于没带磁性开关变压器初级线圈的电感量。高压包退磁的方法请参考图13和图14,以及说明。

    另外,迭加电流Imax的值一般是正常工作时流过高压包初级线圈电流(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Ip大约才有0.42 A,但迭加电流Imax的值为1.49 A ;由此求得,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都小于3A/mm2 ,从而可求得,流过高压包初级线圈漆包线迭加电流的最大电流密度为10.5 A/mm2 。

    因此,通过对高压包初级线圈伏秒容量的检查,同时也是对高压包初级线圈的线径进行检查。一般漆包线在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就可以知道高压包线圈的设计是否合理。

    这里顺便介绍一下电流平均值Ip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Ip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,Ipτ1 为正程扫描期间,流过高压包初级线圈的平均电流; I m为正程扫描期间,流过高压包初级线圈的最大电流; I max为正程扫描期间,流过高压包初级线圈的极限电流; τ1为正程扫描时间(52μΛS ), τ2为逆程扫描时间(12 μS), 为极限正程扫描时间。

    例2:电视机开关电源一般都是脉冲调宽式反激式开关电源,它有两种工作方式:一种是脉冲调宽兼调频工作方式;另一种工作方式是工作频率不变,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由集成电路构成的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。由于开关管的耐压一般最高只有600V,并且还要预留最少20%的余量,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 τ= 6.25μS 。

    根据上面已知参数我们可以利用(8)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。

    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非常小,不合格。

    顺便说明,开关变压器的伏秒容量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τ = 19.27μS ,由此可以求得流过开关变压器初级线圈的最大电流Im为:

    比较(14)和(15)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不一样。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,则说明铁芯留的气隙长度过大,或者开关变压器初、次级线圈的绕线方法或结构不合理。

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

    开关变压器的工作电压和脉冲宽度τ 的关系,同样可以根据(8)式求得。在选定工作电压的情况下,可把Im = 0.7 Imax代入(8)式,即可求得最大脉冲宽度τm 。

    然后再根据脉冲宽度 进一步求占空比D和工作频率。下面(16)式和(17)式是计算脉冲宽度 τ和占空比D以及工作频率的关系式:

    (16)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, τ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 Ucmax最多只能取电源开关管最大耐压值 BVceo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 τ(或占空比D);然后测试电源开关管集电极的最大工作电压Ucmax ,并且要求Ucmax 小于电源开关管最大耐压值BVceo的80% ;随后才根据(8)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、图10、图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 Ucmax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。

    这里还需特别指出,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。一般带有磁性的开关变压器初级线圈的电感量,要略大于没带磁性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图13和图14,以及说明。

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