通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量的測(cè)量，可以知道開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯是否正好工作于最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度的位置上；以及占空比，或者工作頻率，是否取得合理；同時(shí)還可以檢查開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯氣隙長(zhǎng)度取得是否合適。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們?cè)谠O(shè)計(jì)或使用開(kāi)關(guān)變壓器的時(shí)候，一般只關(guān)心開(kāi)關(guān)變壓器的輸入、輸出電壓、電流的大小，以及電感量等參數(shù)，而很少關(guān)心開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量。其實(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，不過(guò)，目前很多人并不十分清楚伏秒容量到底是個(gè)什么東西，或者怎樣對(duì)伏秒容量進(jìn)行測(cè)試，以及怎樣使用伏秒容量這個(gè)參數(shù)。
因此，這里將詳細(xì)介紹什么是開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量，然后再分析怎樣對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量進(jìn)行測(cè)量及應(yīng)用。
什么是開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量
圖1是反激式開(kāi)關(guān)電源的工作原理圖，所謂反激式開(kāi)關(guān)變壓器輸出電源，就是當(dāng)開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流脈沖電壓激勵(lì)時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)線圈沒(méi)有向負(fù)載提供能量輸出，僅在開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓消失之后，開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯中存儲(chǔ)的磁能量才通過(guò)次級(jí)線圈轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢(shì)向負(fù)載提供功率輸出，這種開(kāi)關(guān)電源稱(chēng)為反激式開(kāi)關(guān)電源。
在圖1中，當(dāng)輸入電壓E加于開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1的兩端時(shí)，由于開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與流過(guò)二極管的電流方向正好相反，相當(dāng)于所有次級(jí)線圈均開(kāi)路，此時(shí)開(kāi)關(guān)變壓器相當(dāng)于一個(gè)電感L1。其等效電路如圖2-a) 所示，圖2-b) 是開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電感兩端的電壓和流過(guò)電感L1的電流。
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從圖2可以看出，流過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器的電流只有勵(lì)磁電流，即：開(kāi)關(guān)變壓器鐵心中的磁通量全部都是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的。如果開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量是恒定的，或開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率永遠(yuǎn)保持不變；那么，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)接通以后，流過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流就會(huì)隨時(shí)間增加而線性增加，開(kāi)關(guān)變壓器鐵心中的磁通量也隨時(shí)間增加而線性增加。根據(jù)電磁感應(yīng)定理：
—— K接通期間 （1）
式中e1為開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，L1為開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量， 為開(kāi)關(guān)變壓器鐵心中的磁通量，E為開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈兩端的輸入電壓。其中磁通量 還可以表示為：
（2）
上式中，k是一個(gè)與單位制相關(guān)的系數(shù)，S為開(kāi)關(guān)變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，也稱(chēng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，即：?jiǎn)挝幻娣e的磁通量。
把（2）式代入（1）式，并進(jìn)行積分：
（4）式就是計(jì)算開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中，N1為開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組的最少匝數(shù)，S為開(kāi)關(guān)變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積，單位：平方厘米；Bm為開(kāi)關(guān)變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：高斯；Br為開(kāi)關(guān)變壓器鐵心的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：高斯），Br一般簡(jiǎn)稱(chēng)剩磁；τ = Ton，為控制開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間，簡(jiǎn)稱(chēng)脈沖寬度，或電源開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)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(zhǎng)度為厘米（cm），磁感應(yīng)強(qiáng)度為高斯（Gs），磁通單位為麥克斯韋（Mx）。
（5）式中， 就是開(kāi)關(guān)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(lái)表示。
伏秒容量VT表示：一個(gè)開(kāi)關(guān)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長(zhǎng)時(shí)間的沖擊。
在開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量一定的條件下，輸入電壓越高，開(kāi)關(guān)變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短，反之，輸入電壓越低，開(kāi)關(guān)變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長(zhǎng)；而在一定的工作電壓條件下，開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量越大，開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越低，開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯就不容易飽和。
當(dāng)開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯面積固定以后，開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量主要就是由磁通增量 （ 
）的大小以及開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)N1來(lái)決定。
另外，我們知道，磁感應(yīng)強(qiáng)度是由磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)決定的，即磁通增量，也是由磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)決定的。如圖3所示。
圖3中，虛線B為開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的初始磁化曲線，所謂的初始磁化曲線就是開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯還沒(méi)有帶磁，第一次使用時(shí)的磁化曲線，一旦開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯帶上磁后，初始磁化曲線就不復(fù)存在了。因此，在開(kāi)關(guān)變壓器中，開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的磁化一般都不是按初始磁化曲線來(lái)進(jìn)行工作的，而是按照一條所謂的“磁滯回線”進(jìn)行的。
例如，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度將沿著磁化曲線ab或cd跟隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加；而當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度將沿著另一條磁化曲線ba或dc跟隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的減小而減小。因此，我們把磁化曲線ab、ba或cd、dc稱(chēng)為磁滯回線。至于磁滯回線是沿著ab、ba進(jìn)行，還是沿著另一條磁滯回線cd、dc進(jìn)行，主要取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化幅度。
當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，相當(dāng)于磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯進(jìn)行充磁；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減少時(shí)，相當(dāng)于磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁。磁場(chǎng)強(qiáng)度變化幅度越大，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量也增加，與此同時(shí)剩磁也會(huì)增加。
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磁場(chǎng)強(qiáng)度由0增加到H1，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度由Br1沿著磁化曲線ab增加到Bm1；而當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度由H1下降到0時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將由Bm1沿著磁化曲線ba下降到Br1 。如果不考慮磁通的方向，磁通的變化增量就是，即磁通增量
。如果磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大，由0增加到H2，則磁滯回線將沿著曲線cd、dc進(jìn)行，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的磁通增量 
。
由圖3中可以看出，對(duì)應(yīng)不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量，即不同的勵(lì)磁電流變化量，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量或磁通變化量也是不一樣的；因?yàn)椋鸥袘?yīng)強(qiáng)度變化量或磁通變化量與磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量并不是線性關(guān)系。
圖4是磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變化的函數(shù)曲線圖。圖4中，曲線B是磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變化的曲線；曲線 為導(dǎo)磁率與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變化的曲線。其中：
（6）
由圖4中可以看出，與導(dǎo)磁率最大的地方對(duì)應(yīng)的并不是磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度最小或最大的地方，而是位于磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度變曲線某個(gè)中間值的地方。當(dāng)導(dǎo)磁率達(dá)到最大值之后，導(dǎo)磁率將隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，而迅速下降；當(dāng)導(dǎo)磁率下降到將要接近0的時(shí)候，我們就認(rèn)為開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯已經(jīng)開(kāi)始飽和，如圖中Bs和Hs.
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由于導(dǎo)磁率的變化范圍太大，且容易飽和，因此，一般開(kāi)關(guān)電源使用的開(kāi)關(guān)變壓器都要在開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯中間留氣隙。
圖5是分析及計(jì)算開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯最佳氣隙長(zhǎng)度的原理圖，圖5-a) 是中間留有氣隙開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的示意圖，圖5-b) 是中間留有氣隙的開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線圖，及計(jì)算開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯最佳氣隙長(zhǎng)度的原理圖。
在圖5-b) 中，虛線是沒(méi)留有氣隙開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線，實(shí)線是留有氣隙開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線；曲線b是留有氣隙開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的等效磁化曲線，其等效導(dǎo)磁率，即曲線的斜率為 ； 是留有氣隙開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率； 是沒(méi)留有氣隙時(shí)開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率。
由圖5可以看出，開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的氣隙長(zhǎng)度留得越大，其平均導(dǎo)磁率就越小，而開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯就不容易飽和；但開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率越小，開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈之間的漏感就越大。因此，開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯氣隙長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，并且還要根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的輸出功率，以及電壓變化范圍（占空比變化范圍）等因素來(lái)綜合考慮。不過(guò)我們可以通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量的測(cè)量，同時(shí)檢查開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯氣隙長(zhǎng)度留得是否合適。
關(guān)于開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯氣隙長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)，請(qǐng)參考《2-1-14．開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯氣隙的選取》有關(guān)章節(jié)。
順便說(shuō)明，圖4中表示導(dǎo)磁率的 的曲線也不是一成不變的，它受溫度的影響非常大。由于開(kāi)關(guān)變壓器磁芯也是一種半導(dǎo)體材料（金屬氧化物），很多半導(dǎo)體器件就是用金屬氧化物來(lái)制造的，如熱敏電阻、場(chǎng)效應(yīng)管等。半導(dǎo)體材料的特性就是受溫度的影響很靈敏，當(dāng)溫度上升到一定范圍以后，開(kāi)關(guān)變壓器磁芯的電阻率就會(huì)變小，并開(kāi)始導(dǎo)電。
因此，當(dāng)溫度升高到一定范圍以后，在開(kāi)關(guān)變壓器磁芯內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生很大的渦流損耗，并使鐵芯有效導(dǎo)磁率急速下降。這個(gè)使開(kāi)關(guān)變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率急速下降的溫度點(diǎn)，我們把它稱(chēng)為居里溫度點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以把開(kāi)關(guān)變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率下降到最大值的70%時(shí)的溫度，定義為居里溫度點(diǎn)。
圖6是日本TDK公司高導(dǎo)磁率材料H5C4系列磁芯初始導(dǎo)磁率 隨溫度變化的曲線圖，其居里溫度大約為105℃。
由圖6可以看出，開(kāi)關(guān)變壓器磁芯的使用環(huán)境溫度，對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器的性能影響是非常大的。但我們?cè)谑褂瞄_(kāi)關(guān)變壓器的時(shí)候，就很少有人去考慮或檢測(cè)開(kāi)關(guān)變壓器磁芯的居里溫度。目前，一般開(kāi)關(guān)變壓器還都大量選用鐵氧體磁芯，這種鐵氧體磁芯的居里溫度一般都在120℃左右，因此，我們對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)工作溫度最好不要超過(guò)110℃。
