开关变压器的工作原理与设计（1）：对开关变压器的伏秒容量进行检测

　　以前我们在检查50周工频变压器质量好坏的时候，一般都要检查50周工频变压器在最高输入电压之下，流过开关变压器初级线圈的励磁电流，或漏电流。但目前很多人在检查开关变压器质量好坏的时候，一般都只检查开关变压器的电感量或漏感大小。现在，我们能不能也象检查50周工频变压器那样，检查开关变压器的励磁电流呢？——很难。因为开关变压器一般都是工作于单极性磁化状态，测试开关变压器的励磁电流需要一个大功率直流脉冲输出电源，这种大功率直流脉冲输出电源工作很不安全，操作也不方便。

　　为此，我们可以采用另一种更简便的方法，即：电流迭加法，来对开关变压器进行伏秒容量进行测试。电流迭加法就是在开关变压器线圈中迭加一直流电流，让开关变压器铁芯进行磁化，然后，对开关变压器的电感量进行测量，从而间接测量开关变压器线圈的极限伏秒容量VTmax和最大伏秒容量VTm 。

　　这里的极限伏秒容量VTmax是指开关变压器铁芯达到饱和时对应的VT值；而最大伏秒容量VTm 则表示实际应用中，开关变压器的伏秒容量VT不应该超出的最大值。

　　图7是采用电流迭加法测试开关变压器电感量或伏秒容量的工作原理图。图7中，M是电感测试仪，LT是隔离电感，I是电流源，Lx为待测开关变压器的初级电感。LT的电感量必须远远大于被测开关变压器初级线圈的电感量，如果电流源I是一个理想的恒流源，那么隔离电感LT可以省去。下面我们来介绍图7的工作原理。

　　一般进行电感测量的时候，都是让电感线圈通过一个1KHz或10KHz的交流电，然后通过测试流过电感线圈的电流来间接测量电感线圈的阻抗（电感量）。由于流过电感线圈的电流很小，并且是一个交流，用这种方法测试到的电感量与电感线圈工作时呈现出来的电感量是有区别的，并且区别很大，因为开关变压器铁芯的导磁率不是一个常数。

　　如果让被测试电感流过一个可变电流，就可以改变被测试电感磁化曲线的工作点，由此，就可以测试磁化曲线上任何一点的导磁率或者电感量，并且可以根据电感量的变化，找出磁饱和时的工作点，根据磁饱和工作点就可以进一步测量或计算出开关变压器的极限伏秒容量VTmax。知道了开关变压器的极限伏秒容量 VTmax ，就可以根据使用者的实际应用情况来决定开关变压器的最大伏秒容量VTm 。

　　

　　下面我们来分析，怎么样定义迭加电流的大小和对开关变压器伏秒容量VT的测试。

　　图8是开关变压器铁芯留有气隙的电流-电感或电流-磁感应强度函数曲线图，在图8中，X轴代表流过开关变压器线圈的迭加电流I，Y轴代表开关变压器线圈的电感L或开关变压器铁芯中的磁感应强度B；L-I为开关变压器线圈电感L对应于迭加电流I的变化曲线，B-I为开关变压器铁芯的磁感应强度B对应于迭加电流I的变化曲线（初始磁化曲线）。

　　当迭加电流I = 0时，测得开关变压器线圈的电感量为L0，由于开关变压器铁芯初始磁化的时候，导磁率比较小，所以开关变压器线圈的初始电感量L0也比较小；随着迭加电流 I的增加，开关变压器铁芯的导磁率也会增加，所以开关变压器线圈的电感量也随着迭加电流I的增加而增加，当迭加电流I达到某个值（I = Ib）的时候，开关变压器线圈的电感量达到最大值Lmax；随后，随着迭加电流I的增加，开关变压器线圈的电感量反而减小，并迅速下降，当迭加电流I = Is时，开关变压器铁芯的磁感应强度开始出现饱和（B = Bs），开关变压器线圈的电感量将减小到差不多等于0。

　　实际上，图8中改变迭加电流I的大小，其作用就相当于图2-b）中的锯齿电流 ，即：开关变压器线圈的电感量是受流过开关变压器线圈的直流分量调制的。如果我们把流过开关变压器线圈的最大电流Im与开关变压器铁芯的最大磁感应强度 Bm对应，那么，我们可以用图8来定义流过开关变压器线圈的最大电流Im和开关变压器铁芯的最大磁感应强度Bm。

　　

　　由于最大磁感应强度Bm概念经常被使用，为了避免混淆，这里我们另外再定义两个新概念：一个为极限磁感应强度Bmax，另一个为极限电流Imax。

　　于此相对应，我们还定义：当流过开关变压器初级线圈的电流I，使开关变压器初级线圈的电感L下降到初始电感L0的90%时，此时流开关变压器线圈的电流，我们称之为极限电流Imax，对应开关变压器铁芯中的磁感应强度B，我们称之为极限磁感应强度Bmax。

　　任何一个带铁芯的电感线圈都可以用图7表示的测量方法，来测量电感线圈的初始电感量L0和最大电感量Lm，以及极限电流Imax。通过测量电感量，以及与其对应的极限电流值Imax，就可以计算出开关变压器或储能电感线圈的极限伏秒容量VTmax。在开关变压器的使用过程中，任何时刻，都不能超出开关变压器的极限伏秒容量VTmax。

　　反过来，我们还可以在特定的情况下，比如：在工作电压最高、负载最重的情况下，先定义（或测量）开关电源的占空比或输出电压的脉冲宽度 ，然后计算出开关变压器初级线圈电流的最大值Im，最后给最大值Im乘以一个安全系数K（K=1.43），其结果就是流过开关变压器初级线圈电流的极限值 Imax，即用于测量开关变压器初级线圈电感Lx的迭加电流值。

　　由此可知，开关变压器（反激式）在任何情况下，其初级线圈的工作电流都不能超过图8中的Imax，对应的磁感应强度也不能超过图8中的Bmax。

　　

　　上面（8）式是用来计算开关变压器初级线圈或储能电感线圈电流的公式，式中 为流开关变压器初级线圈或储能电感线圈电流的最大值，即：当图1中的开关K接通后，其持续时间等于 时刻，流过开关变压器初级线圈或储能电感线圈电流的瞬时值；E为开关电源的工作电压，V为加于开关变压器初级线圈两端的输入电压（直流脉冲电压），L1为开关变压器初级线圈电感量。

　　（9）式是用来计算开关变压器或储能电感线圈伏秒容量VT的公式，与（8）式和（10）、（11）式对应。

　　（10）式是用来计算开关变压器或储能电感线圈的极限伏秒容量VTmax的公式。式中：VTmax开关变压器或电感线圈或储能电感线圈的极限伏秒容量，V 为加于开关变压器初级线圈两端直流脉冲的幅度（单位：伏），Tmax为加于开关变压器初级线圈或储能电感线圈两端直流脉冲的极限时间（宽度，单位：秒）；

　　Imax就是根据图7对开关变压器初级线圈或储能电感线圈电感Lx进行测试时的极限迭加电流，即：当迭加电流I增加，使开关变压器初级线圈或储能电感线圈的测量电感Lx等于初始电感量 的0.9倍时，流过开关变压器初级线圈或储能电感线圈的迭加电流值。也可以把Imax看成是流过开关变压器初级线圈或储能电感线圈的极限电流值，此电流可以采用图7和图8定义的方法来测量； 为开关变压器初级线圈或储能电感线圈初始电感 下降到90%时的值。

　　这里顺便说明， 与Imax，VTm与VTmax在性质上基本相同，只是后者用max来表示它是前者的极限值。