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開關變壓器的伏秒容量與測量(連載4)
陶顯芳
摘要: 舉例來詳細分析開關變壓器伏秒容量的測量方法,以及通過對開關變壓器伏秒容量的測量,驗證開關變壓器工作狀態(tài)的合理性。
Abstract:
Key words :

   在圖11中,E為穩(wěn)壓電源,Rx為可調(diào)電阻,Q為晶體管大功率放大器(必須帶散熱片);調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的電壓輸出,或改變可變電阻的阻值,就可以改變迭加電流的大小,但晶體管大功率放大器集電極與發(fā)射極之間的電壓降不要大于10V,否則,晶體管大功率放大器的損耗將很大。一般穩(wěn)壓電源都有電流輸出指示,所以在測試電路中不需要另外安裝電流表。

    這里特別指出,在測試高壓包初級線圈的初始電感L0的時候,高壓包的鐵芯必須要退磁,否則,測試結(jié)果將不準確。一般帶有磁性的開關變壓器初級線圈的電感量,要略大于沒帶磁性開關變壓器初級線圈的電感量。高壓包退磁的方法請參考圖13和圖14,以及說明。

    另外,迭加電流Imax的值一般是正常工作時流過高壓包初級線圈電流(平均值或有效值)的好幾倍。例如:上例測試的高壓包,正常工作時,其平均電流Ip大約才有0.42 A,但迭加電流Imax的值為1.49 A ;由此求得,迭加電流Imax的值是正常工作時平均電流的3.5倍。一般高壓包初級線圈漆包線的電流密度都小于3A/mm2 ,從而可求得,流過高壓包初級線圈漆包線迭加電流的最大電流密度為10.5 A/mm2 。

    因此,通過對高壓包初級線圈伏秒容量的檢查,同時也是對高壓包初級線圈的線徑進行檢查。一般漆包線在40度溫升的情況下,其最大電流密度大約在13A/mm2左右(直流),因此,通過測量高壓包線圈的溫升就可以知道高壓包線圈的設計是否合理。

    這里順便介紹一下電流平均值Ip的求法,以及其與最大電流Im和極限電流Imax的關系。圖12是電流平均值Ip與最大電流Im和極限電流Imax之間的關系圖。

    圖12中,Ip為流過高壓包初級線圈的平均電流,Ipτ1 為正程掃描期間,流過高壓包初級線圈的平均電流; I m為正程掃描期間,流過高壓包初級線圈的最大電流; I max為正程掃描期間,流過高壓包初級線圈的極限電流; τ1為正程掃描時間(52μΛS ), τ2為逆程掃描時間(12 μS), 為極限正程掃描時間。

    例2:電視機開關電源一般都是脈沖調(diào)寬式反激式開關電源,它有兩種工作方式:一種是脈沖調(diào)寬兼調(diào)頻工作方式;另一種工作方式是工作頻率不變,只對脈沖寬度進行調(diào)制。前一種工作方式多在自激式開關電源中使用,后一種工作方式多在由集成電路構成的他激式開關電源中使用。

    設一個100W電視機開關電源使用的開關變壓器,其初級線圈的電感量為1毫亨,其最高工作電壓為360V,最低工作電壓為110V。由于開關管的耐壓一般最高只有600V,并且還要預留最少20%的余量,因此,在最高工作電壓和負載最重的狀態(tài)下,開關電源的占空比最大只能取0.25,即:D = 0.25 ;當開關電源的負載為最重的時候,占空比也處于最大值。設開關電源的工作頻率為40kHz,當占空比為最大值時電源開關管導通時的脈沖寬度 τ= 6.25μS 。

    根據(jù)上面已知參數(shù)我們可以利用(8)式來計算流過開關變壓器初級線圈的最大電流Im,然后再求其極限電流Imax的值,即:測試開關變壓器初級線圈電感時選用的迭加電流值。

    根據(jù)前面分析,以及圖8和圖9,正常工作時,流過高壓包初級線圈的最大電流Im不應該超過極限電流值Imax的70%,由此,可以求得流過高壓包初級線圈的極限電流Imax為3.21 A 。

    上面計算出來的極限電流Imax值,就是用來測試開關變壓器初級線圈的迭加電流的數(shù)值。根據(jù)圖7,把電流源的電流設置為3.21 A ,即:測試開關變壓器初級線圈的迭加電流為3.21 A,然后測試開關變壓器初級線圈的電感;如果測試結(jié)果Lx等于或者大于初始電感L0的90%,則說明,開關變壓器初級線圈的伏秒容量設計是合格的;如果測試結(jié)果Lx小于初始電感L0的90%,則說明,開關變壓器初級線圈的伏秒容量余量非常小,不合格。

    順便說明,開關變壓器的伏秒容量不但與工作電壓有關,而且還與開關電源的占空比有關,即:與脈沖寬度有關。

    假設其它參數(shù)不變,而把工作電壓由360V降為110V時,開關電源的最大占空比可取值為0.7708,即:D = 0.7708 。當開關電源的工作頻率為40kHz時,電源開關管導通時的脈沖寬度τ = 19.27μS ,由此可以求得流過開關變壓器初級線圈的最大電流Im為:

    比較(14)和(15)式可以看出,雖然開關變壓器的工作電壓不同,但兩式最大工作電流Im以及極限電流Imax基本上是一樣的。值得注意的是,雖然他們的最大電流值基本相同,但它們的平均電流值卻不一樣。前者的平均電流為0.281A,后者的平均電流為0.817A 。因此,在選取開關變壓器初級線圈漆包線粗細的時候,一定要按平均電流的大小來選取。由此可知,一個雙電壓開關電源(110V/220V),其工作效率要比單電壓開關電源低,因為,雙電壓開關電源銅阻損耗要比單電壓開關電源大很多。

    同理,除了測試開關變壓器初級線圈伏秒容量的大小之外,還應該檢測開關變壓器初級線圈的漏感大小。正常漏感的數(shù)值一般小于初級線圈電感量的2%,如果太大,則說明鐵芯留的氣隙長度過大,或者開關變壓器初、次級線圈的繞線方法或結(jié)構不合理。

    如果我們通過測試,已經(jīng)知道開關變壓器初級線圈的極限電流Imax數(shù)值,我們又怎么來確定開關變壓器的工作電壓和脈沖寬度τ呢?

    開關變壓器的工作電壓和脈沖寬度τ 的關系,同樣可以根據(jù)(8)式求得。在選定工作電壓的情況下,可把Im = 0.7 Imax代入(8)式,即可求得最大脈沖寬度τm 。

    然后再根據(jù)脈沖寬度 進一步求占空比D和工作頻率。下面(16)式和(17)式是計算脈沖寬度 τ和占空比D以及工作頻率的關系式:

    (16)式中,D為開關電源工作時的占空比,Dm為開關電源工作時的最大占空比, τ為脈沖寬度,T為開關電源的工作周期,F(xiàn)為工作頻率,E為開關電源的工作電壓, 為電源開關管集電極(或漏極)的最大工作電壓。一般 Ucmax最多只能取電源開關管最大耐壓值 BVceo的80% ,即選用電源開關管時,其耐壓要留有20%的余量。

    對于開關變壓器伏秒容量的測試,必須結(jié)合具體電路進行。首先用示波器測量,在最高輸入電壓和負載最重的狀態(tài)之下,電源開關管導通時的脈沖寬度 τ(或占空比D);然后測試電源開關管集電極的最大工作電壓Ucmax ,并且要求Ucmax 小于電源開關管最大耐壓值BVceo的80% ;隨后才根據(jù)(8)式計算流過開關變壓器初級線圈的最大電流Im和極限電流值Imax,最后采用圖7、圖10、圖11的方法來對開關變壓器的極限伏秒容量VTmax進行測量和計算。

    順便指出,決定開關電源占空比D大小的主要因數(shù)是開關電源的輸入電壓與輸出電壓比Ui:Uo,即:開關變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比n。檢查 Ucmax的大小,實際上也是檢查開關變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比n是否設計得合理。

    此方法的好處是,不但可以對開關變壓器的關鍵技術參數(shù)進行測試和監(jiān)控,同時也可以檢查設計師設計電路的參數(shù)是否合理。

    這里還需特別指出,在測試開關變壓器初級線圈的初始電感L0的時候,開關變壓器的鐵芯必須要退磁,否則,測試結(jié)果將不準確。一般帶有磁性的開關變壓器初級線圈的電感量,要略大于沒帶磁性開關變壓器初級線圈的電感量。開關變壓器退磁的方法請參考圖13和圖14,以及說明。

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