2-1-15．單激式開關變壓器鐵芯磁滯損耗、渦流損耗的測量

我們在前麵《2-1-10．開關變壓器磁滯損耗分析》章節中已經指出
，變壓器鐵芯的磁滯損耗
，實際上就是流過變壓器初級線圈勵磁電流產生的磁場在鐵芯中產生的一部分能耗；但並不是所有勵磁電流的能量都轉化為磁滯損耗，其大部分勵磁電流產生或存儲的能量還是要轉化反電動勢輸出；因此，隻要求出勵磁電流總的損耗，再減去反電動勢輸出的損耗，剩餘之值就是磁滯損耗。

我們在《2-1-12．開關變壓器渦流損耗分析》章節中已經求得，流過變壓器初級線圈中的勵磁電流     為：



（2-60）和（2-61）式中， 為勵磁電流
；這裏我們把 稱為渦流損耗電流；  為變壓器鐵芯的平均導磁率；N變壓器初級線圈的匝數

；L變壓器初級線圈的電感
； 為變壓器鐵芯片的厚度，或圓柱體鐵芯的直徑
；S為變壓器鐵芯的麵積
； 為鐵芯片的電阻率
； L為磁回路的平均長度；U為加到變壓器初級線圈兩端電壓的幅度（方波）； Rb為渦流損耗的等效電阻。

其中， 就是勵磁電流，也是產生磁滯損耗的電流，就是產生償渦流損耗的電流。 和 產生的磁場強度H（t）的曲線圖，請參考圖2-20，其等效電路，請參考圖2-21。

根據（2-60）式和（2-61）式以及圖2-20和圖2-21的分析結果，我們可以用圖2-26電路來測試單激式開關變壓器的磁滯損耗和渦流損耗，以及勵磁電流反激輸出的功耗。

其原理是，在變壓器初級線圈兩端加一方波電壓，然後測試流過變壓器初級線圈的電流以及反電動勢輸出功率Pr1；其中，為勵磁電流產生的功率，U為電源電壓
，pc為磁滯損耗；通過它們之間這些關係很容易就可以間接測量出磁滯損耗和渦流損耗。圖2-26就是根據這個原理設計的。

圖2-26中，U是電源電壓，通過控製開關K不斷地接通和關斷，就可以把電源電壓調製成單極性電壓脈衝；N為變壓器初級線圈
，D為反激輸出整流二極管；R1為反激輸出負載電阻；C1為濾波電容
；R為取樣電阻
，通過測量R兩端的電壓，就可以知道流過變壓器初級線圈的電流；取樣電壓被送到示波器DP進行顯示。

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圖2-27是圖2-26電路中變壓器初級線圈兩端電壓以及電流波形圖。圖2-26中
，通過改變控製開關K的占空係數，可使變壓器初級線圈正好工作於電流臨界連續狀態或電流斷續狀態，即：流過變壓器初級線圈中的電流在下一次控製開關K接通之前為0。圖2-27中是控製開關K的占空係數約等於0.5時，變壓器初級線圈兩端的電壓和電流波形。當控製開關K的占空係數約為0.5時
，圖2-26電路基本工作於電流臨界連續或電流微斷續狀態。

在0-t1期間，控製開關K接通，電源電壓U加於變壓器初級線圈兩端；I 流過變壓器初級線圈的電流 由 和 兩部分組成， 和 的數值分別由（2-60）式和（2-61）式決定；其中， 為勵磁電流

，其值隨時間線性上升； 為渦流損耗電流，其值為常數，不隨時間改變。

在t1-t2期間
，控製開關K關斷，變壓器初級線圈的輸入電壓為0，但變壓器初級線圈兩端的電壓不能為0，因此
，變壓器初級線圈中的電流也不能等於0，勵磁電流將由t2時刻的最大值 Imax開始下降
，以維持反電動勢的輸出。即：勵磁電流存儲於變壓器鐵心中的磁場能量會通過反電動勢的形式向負載釋放磁能量。反電動勢通過整流二極管D整流，再經濾波電容C1濾波後
，給負載電阻R1供電。通過測量負載電阻R1兩端的電壓，很容易就可以算出反電動勢的輸出功率
，即：勵磁電流產生反激輸出的功率。

圖2-26中，C1濾波電容的作用是取反電動勢的平均值，以便於測量
；勵磁電流產生反激輸出的波形如圖2-27-a中虛線所示，不過此波形是半波平均值
，並且其幅度受負載電阻大小的影響很大
，其幅值就是濾波電容C1兩端直流電壓的幅值，此值一般小於輸入電壓幅度。

我們從圖2-27-b中可以看出
，在輸入電壓作用期間
，勵磁電流 是跟隨時間線性增長的；而渦流損耗電流 為常量，它不會跟隨時間線性變化
；因此
，用示波器很容易就可以把它們區分開來，通過測量取樣電阻R兩端的電壓
，就可以間接測量 和 的數值。

在對電流

、電壓、功率進行進行計算或測量的時候，最好采用半波平均值（或半周平均值）概念，以便與開關電源工作的時間對應。半周平均值概念請參看（2-19）式和（2-20）式；半波平均值概念請參看第一章的內容。這裏再重複一次半波平均值的計算方法。

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（2-69）、（2-70）式中，Upa和Upa-分別為各種脈衝波形的正、負半波平均值
；Pu(t)和Nu(t)分別為各種脈衝波形的正波形函數（正半周）和負波形函數（負半周）
，τ為正、負脈衝寬度。大部分雙極性交流脈衝，其正、負半波平均值的絕對值都相等，但符號相反。

設輸入方波的寬度為τ
，那麼
，在輸入電壓期間，勵磁電流 產生的半波平均功率Pu為：



（2-71）、（2-72）、（2-73）式中， 為勵磁電流產生的半波平均功率；Pc為磁滯損耗半波平均功率；U為電源電壓幅度； 為勵磁電流半波平均值， Imax為勵磁電流的最大值；Pr1為反激輸出電壓在負載電阻R1上的半波平均功率。

勵磁電流的最大值 Imax用示波器很容易可以測到

， Imax 正好等於圖2-27-b中勵磁電流Iu 跟隨時間線性增長的最大增量。測量出勵磁電流的最大值Imax 後
，把 Imax值代入（2-71）式
，即可求得勵磁電流產生的半波平均功率Pu 。

磁滯損耗半波平均功率Pc可根據（2-71）式或（2-72）式求得

，不過在求Pc時
，還須先求反激輸出電壓在負載電阻R1上的半波平均功率Pr1

；而計算反激輸出電壓在負載電阻R1上的半波平均功率Pr1時，還得先求反激輸出電壓在負載電阻R1上的全波平均值Pra
；而全波平均值Pra就是反激輸出電壓在負載電阻R1上損耗的功率。

計算反激輸出電壓在負載電阻R1上的功率Pra時，需要測量濾波電容C1兩端的電壓Uc；不過C1兩端的電壓是一個直流
，相當於反激輸出電壓的平均值；反激輸出電壓的幅值也是濾波電容C1兩(liang)端(duan)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)幅(fu)值(zhi)，不(bu)過(guo)這(zhe)個(ge)幅(fu)值(zhi)不(bu)是(shi)通(tong)過(guo)一(yi)次(ci)反(fan)激(ji)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)就(jiu)能(neng)積(ji)分(fen)出(chu)來(lai)的(de)
，它(ta)需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)很(hen)多(duo)次(ci)反(fan)激(ji)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)，並(bing)經(jing)過(guo)多(duo)次(ci)積(ji)分(fen)後(hou)，才(cai)能(neng)使(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)最(zui)後(hou)穩(wen)定(ding)下(xia)來(lai)。

C1兩端的電壓的測量比較容易
，用普通電壓表就可以測量
，但最好用示波器的直流檔來測量；因為，普通電壓表的內阻比較小，會影響測量精度。
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電壓Uc被測量出來後
，就可以根據下式計算反激輸出功率的全波平均值Pra：



（2-74）式中，Pra為反激輸出功率的全波平均值，Uc為濾波電容兩端的電壓
，R1為負載電阻。

算出平均值Pra後，還要把它轉換成半波功率Pr1，即變壓器初級線圈加電壓時勵磁電流為反激輸出存儲的功率。Pr1與Pra的關係是：



（2-75）式中，Pr1為，變壓器初級線圈加電壓期間
，勵磁電流 為反激輸出存儲的功率
；Pra為反激輸出功率的全波平均值
；Uc為濾波電容兩端的電壓
；D為輸入脈衝的占空比，T為脈衝周期。

把（2-75）式的結果代入（2-72），即可求得單激式開關變壓器得磁滯損耗功率Pc為：
 

（2-76）式中，Pc為單激式開關變壓器的半波磁滯損耗平均功率，U為電源電壓幅度；Uc為濾波電容兩端的電壓
， 為勵磁電流的最大值

；R1為負載電阻。

如需要把半波磁滯損耗平均功率轉換成全波磁滯損耗平均功率Pct ，隻須在（2-76）式的右邊再乘以輸入脈衝的占空比
，即：

（2-77）式中，PcT為單激式開關變壓器的全波磁滯損耗平均功率，U為電源電壓幅度，Uc為濾波電容兩端的電壓
， 為勵磁電流的最大值；R1為負載電阻，D為輸入脈衝的占空比。

因(yin)為(wei)單(dan)激(ji)式(shi)開(kai)關(guan)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)正(zheng)負(fu)半(ban)周(zhou)是(shi)不(bu)對(dui)稱(cheng)的(de)，因(yin)此(ci)
，把(ba)磁(ci)滯(zhi)損(sun)耗(hao)分(fen)成(cheng)半(ban)波(bo)磁(ci)滯(zhi)損(sun)耗(hao)平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)和(he)全(quan)波(bo)磁(ci)滯(zhi)損(sun)耗(hao)平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)更(geng)容(rong)易(yi)理(li)解(jie)。

從（2-76）式和（2-77）式還很難看出，單激式開關變壓器的磁滯損耗主要與誰相關，因為等式右邊的減數和被減數與輸入電壓、脈衝寬度都有相同變化的趨向。實際上在脈衝寬度固定的情況下，單激式開關變壓器的磁滯損耗是很小的
，此結果在《2-1-10．開關變壓器磁滯損耗分析》的章節中已經分析過。

單激式開關變壓器的磁滯損耗主要出現在脈衝寬度不斷變化的時候
，這個結果從（2-76）式和（2-77）式也可以看得出來。由於（2-76）和（2-77）兩式中減數與被減數在變化速率上相差很多個周期；當輸入脈衝寬度不斷變化的時候
，就不能說它們之間的變化都是同一趨向，（2-76）式和（2-77）式中減數項的U2電壓大小以及相位變化都要受到輸入脈衝寬度進行調製；因此，它們之間的差也是不斷跟隨輸入脈衝寬度的大小而變化的。
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下麵我們再來分析單激式開關變壓器的渦流損耗。

根據（2-61）式以及圖2-20、圖2-21和圖2-27的分析結果可知，渦流損耗是由ib產生的。由此
，可以求得渦流損耗電流ib 產生的半波平均功率 為Pc：



由於單激式開關變壓器的輸入電壓的正負半周是不對稱的
，因此，把渦流電流產生的半波平均功率和全波平均功率更容易理解。

從（2-78）式和（2-79）式以及（2-61）式可以看出，單激式開關變壓器的渦流損耗功率，與輸入電壓脈衝的寬度成正比，與輸入電壓的平方成正比。

順便指出：（2-79）式的結果
，是認為渦流損耗在t1-t2期間（圖2-27-b）完全等於0而求得的，但實際上，在t1-t2期間變壓器初級線圈產生的反電動勢同樣也會在變壓器鐵芯中感應產生渦流損耗電流，即當輸入電壓為0時刻

，在變壓器鐵芯中還存在很短暫時間的渦流損耗；由於這種渦流損耗是由反電動勢提供能量來維持的，它將隨著反電動勢能量的衰減很快就衰減到0。

既然，渦流損耗會從反電動勢中攝取一部分能量
，那麼，反電動勢輸出給負載R1的能量就會要減少同樣一部分
；即(ji)
，渦(wo)流(liu)損(sun)耗(hao)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)能(neng)量(liang)被(bei)劃(hua)分(fen)到(dao)磁(ci)滯(zhi)損(sun)耗(hao)那(na)邊(bian)去(qu)了(le)。因(yin)此(ci)，渦(wo)流(liu)損(sun)耗(hao)與(yu)磁(ci)滯(zhi)損(sun)耗(hao)總(zong)是(shi)有(you)點(dian)糾(jiu)纏(chan)不(bu)清(qing)，要(yao)把(ba)它(ta)完(wan)全(quan)分(fen)開(kai)還(hai)是(shi)比(bi)較(jiao)難(nan)的(de)。

另ling外wai
，工gong作zuo於yu反fan激ji式shi輸shu出chu的de大da功gong率lv單dan激ji式shi開kai關guan變bian壓ya器qi，其qi初chu級ji線xian圈quan的de電dian感gan相xiang對dui比bi較jiao小xiao
，因yin此ci，其qi勵li磁ci電dian流liu比bi較jiao大da，要yao精jing確que測ce試shi其qi磁ci滯zhi損sun耗hao和he渦wo流liu損sun耗hao也ye是shi比bi較jiao困kun難nan的de。因yin為wei，如ru果guo按an實shi際ji工gong作zuo的de條tiao件jian來lai測ce試shi，反fan電dian動dong勢shi輸shu出chu的de功gong率lv非fei常chang大da，因yin此ci，在zai負fu載zaiR1上損耗的功率也將很大；如果用小功率進行測試，離實際工作條件相差太遠，測量出來的結果就沒有實際意義。

因此，（2-76）、（2-77）、（2-78）
、（2-79）式shi最zui好hao隻zhi用yong於yu對dui正zheng激ji式shi輸shu出chu的de單dan激ji式shi開kai關guan變bian壓ya器qi進jin行xing磁ci滯zhi損sun耗hao和he渦wo流liu損sun耗hao功gong率lv測ce試shi，因yin為wei其qi初chu級ji線xian圈quan的de電dian感gan相xiang對dui比bi較jiao大da，勵li磁ci電dian流liu比bi較jiao小xiao
；如果需要對反激式輸出的單激式開關變壓器進行測試


，最好隻用於對小功率開關電源進行對比測試。

比如要對一個100瓦以上的反激式開關電源進行磁滯損耗和渦流損耗測試，我們可以用一個功率隻有5瓦或10瓦(wa)的(de)小(xiao)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)來(lai)進(jin)行(xing)對(dui)比(bi)試(shi)驗(yan)，然(ran)後(hou)把(ba)試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)或(huo)優(you)化(hua)措(cuo)施(shi)移(yi)植(zhi)到(dao)大(da)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)之(zhi)中(zhong)。當(dang)然(ran)開(kai)關(guan)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)伏(fu)秒(miao)容(rong)量(liang)以(yi)及(ji)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)和(he)頻(pin)率(lv)應(ying)該(gai)基(ji)本(ben)一(yi)樣(yang)，試(shi)驗(yan)才(cai)會(hui)有(you)效(xiao)。

未完待續：下文將接著為大家介紹：雙激式開關變壓器鐵芯磁滯損耗、渦流損耗的測量，請耐心等待......

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