变压器电源铁芯的设计风险

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1、变压器电源铁芯的设计风险如果我们把开关电源变压器的工作条件稍微变动一下，我们将会看到，开关电源变压器在一定的条件下，将会得出很坏的结果。单激式变压器可能出现磁饱和无法正常输出，而双激式变压器压器铁芯磁滞回线的初始相位会发生严重错位时，就相当于双激式变压器被当作单激式变压器来使用，造成线路元件的损坏。本文将详细分析铁芯设计中存在的风险。前面已经提过，单击式开关电源变压器由于输入电压为单极性电压脉冲，当脉冲幅度和宽度超过变压器的伏秒容量时，变压器铁芯将出现磁饱和。为了防止开关变压器铁芯出现磁饱和最简单的方法是在变压器铁芯中留气隙，或采用反磁场。当在变压器铁芯中留有气隙时，由于空气的导磁

2、率只有铁芯导磁率的几千分之一，磁动势几乎都降在气隙上面；因此，留有气隙的变压器铁芯，其平均导磁率将会大大下降；不但剩余磁通密度也会降低，而且最大磁通密度Bm可以达到饱和磁通密度Bs；从而使磁通增量增大，变压器铁芯不再容易出现磁饱和。如图2-24所示是留有气隙的变压器铁芯的工作原理图与磁化曲线图。我们再来看图2-24-b。在图2-24-b中，虚线表示变压器铁芯没有气隙时的磁滞回线，实线表示变压器铁芯留有气隙时的磁滞回线，其中磁化曲线o-a为留有气隙铁芯的基本磁化曲线。这里的基本磁化曲线与初始磁化曲线并不完全相同，这里的基本磁化曲线相当于磁化曲线的几何平均值，以便用于分析磁场强度增量与

3、磁感应密度增量的关系。防止开关变压器铁芯出现磁饱和最简单的另一种方法是采用反磁场，在变压器铁芯中安装永久磁铁，或在变压器的初、次级线圈上另外增加一反向直流，并且此直流一般需要用扼流圈电感隔离，或用恒流源供电。由于在变压器的初、次级线圈上另外增加一反向直流会降低开关电源的工作效率，以及增加成本，目前大多数的开关电源都没有采用这种方法；只有一些要求磁化动态范围比较大，且输出功率也特别大，并且不需考虑成本的场合才会使用。顺便指出，用于正激式开关变压器铁芯的气隙长度与反激式开关变压器铁芯的气隙长度是不一样的；正激式开关变压器铁芯的气隙长度完全为了满足最大磁通密度增量的要求，而反激式开关变压

4、器铁芯的气隙长度，除了要满足最大磁通密度增量的要求外，还要满足最小电感量的要求。一般反激式开关变压器铁芯的气隙长度要比正激式开关变压器铁芯的气隙长度大。前面几讲我们对双激式开关电源变压器工作原理进行分析，都是考虑双激式开关电源变压器完全工作于理想的情况下而得出的结果。因此，图2-6、图2-7和（2-17）、（2-18）式的分析结果都是在理想的工作条件下进行的。如果我们把双激式开关电源变压器的工作条件稍微变动一下，我们将会看到，双激式开关电源变压器在一定的条件下，将会得出很坏的结果，即：双激式开关电源变压器在工作中存在很大的风险。我们先来看图2-5和图2-6，如果开关变压器的铁芯在这

5、之前已经被其它磁场磁化过，变压器铁芯中的磁通密度B正好停留在剩余磁通密度Br的位置上，那么，当第一个交流脉冲的正半周电压加到图2-5所示变压器初级线圈a、b两端时，在变压器初级线圈中将有励磁电流流过，并在变压器铁芯中产生磁场；在磁场强度H的作用下，变压器铁芯中的磁通密度B将不会按图2-6中磁化曲线e-f-a上升，而是按图2-10中的磁化曲线b-g上升。如果变压器的伏秒容量原来是按（2-17）式来确定的，即变压器铁芯中的磁通密度的变化范围等于最大磁通密度Bm的两倍，即：ΔB=2Bm；那么，当第一个交流脉冲的正半周电压加到图2-5所示变压器初级线圈a、b两端时，变压器铁芯中磁通密度的最

6、大变化范围应该正好等于2Bm；由于变压器铁芯中的磁化过程是从上次剩余磁通密度Br的位置开始的，因此，变压器铁芯中新的最大磁通密度应该达到Br+2Bm。由于在开关变压器铁芯中没有预留防止磁饱和的气隙，在一般情况下开关变压器的伏秒容量都不会取得很大，如果根据图2-6继续延伸磁通密度的磁化曲线的长度，使之达到Br+2Bm的高度，显然此时的磁场强度已经使磁通密度达到深度饱和。图2-10就是在图2-6的基础上，根据上面分析条件而绘制的磁化曲线图。在图2-10中，虚线表示的磁化曲线a-b-c-d-e-f-a，是开关变压器铁芯根据（2-17）式选定参数后所决定的磁滞回线图。虚线线段d-a是开关变

7、压器铁芯的理想磁化曲线，理想磁化曲线是一条斜率等于最大磁通密度增量与最大磁场强度增量之比，且经过坐标原点的直线；当直线不经过坐标原点时，这条直线称为等效磁化曲线。由于磁通密度与输入电压对应，磁场强度与励磁电流对应，因此，理想磁化曲线d-a亦可称为变压器输入电压与励磁电流的理想负载曲线；等效磁化曲线亦可称为等效负载曲线。在正常情况下，当有交流脉冲电压输入时，磁通密度B就会沿着理想磁化曲线d-a，由负最大值-Bm至正最大值Bm，然后，又由正最大值Bm至负最大值-Bm，来回