高頻開關(guān)電源變壓器的動態(tài)測試

1、高頻開關(guān)電源變壓器的動態(tài)測試（JP2581B+ JP619B材料功耗測量系統(tǒng)應(yīng)用筆記之一）1引言目前，對高頻開關(guān)電源變壓器電磁參數(shù)測試'大約使用兩種方法：一種是用 LCR表測量一些基本電磁參數(shù)，例如，開關(guān)電源變壓器初次級電感、漏感、分布電容、繞組直流電阻以及匝比、相位等，我們稱這種測試方法為靜態(tài)'測試；一種是將開關(guān)電源變壓器放到主機(jī)上考核其工作情況，對已經(jīng)定型生產(chǎn)的開關(guān)電源變壓器，為考核外購磁芯質(zhì)量，通過測量變壓器工作溫升判斷磁 芯的損耗比較直觀簡便。前一種方法因在弱場、低頻低磁感應(yīng)強(qiáng)度（例如Bm<0.25mT、f=1kHz）下測量，由于磁性材料特性的非線性、不可逆和對溫

2、度敏感，其在強(qiáng)場下工作與在弱場情況下工作電磁特性有很大不同。弱場下測量結(jié)果不能反映磁性器件 工作在強(qiáng)場下的情況；后一種方法雖隨主機(jī)在強(qiáng)場下應(yīng)用，但不能得到被測器件電磁參數(shù)。磁芯損耗需要專用儀器才能測量。高頻開關(guān)電源變壓器的上述測試分析現(xiàn)狀影響了此類器件的開發(fā)和生產(chǎn)。需要開發(fā)一種儀器或測試系統(tǒng)，這種測試系統(tǒng)能夠模擬實際工作條件，完成對高頻開關(guān)電源變壓器主要電磁參數(shù)分析，例如，各種負(fù)載（包括滿載和空載）情況下變壓器初級復(fù)數(shù)阻抗z、有效初級電感L,通過功率Pth、功率損耗PT、傳輸效率n以及在指定頻率下磁芯的傳輸功率密度等，我們稱這種模擬實際工作條件的測試為動態(tài)'測試。作為磁性器件綜合測試系

3、統(tǒng)，還要求具有對磁芯材料功率損耗分析功能。在電磁機(jī)器進(jìn)一步小型化、高頻化和采用高密度組裝情況下對器件進(jìn)行動態(tài)'分析，對加速象高頻開關(guān)電源之類的電磁器件開發(fā)、提高器件質(zhì)量顯得特別重要。2測試系統(tǒng)簡介JP2581B+ JP619B材料功耗及器件功率測量系統(tǒng)是一種交流電壓、電流和功率精密測量裝置。其主要測量功能、指標(biāo)和測量精 度非常適用于磁性材料和磁性器件（例如，開關(guān)電源變壓器）研究開發(fā)和磁芯產(chǎn)品快速檢測。該系統(tǒng)配套完整，自成體系，無 需用戶增加額外投資，系統(tǒng)主要測試功能如下：1、 軟磁材料及器件交流功率損耗（總功耗PL ,質(zhì)量比功耗Pcm，體積比功耗Pcv ）測量；2、磁性材料振幅磁導(dǎo)率

4、g測量；3、 磁芯（有效）振幅磁導(dǎo)率（fi）e測量；磁芯因素（AL）e.測量以上測量均符合IEC367-1 （或GB9632-88）標(biāo)準(zhǔn)中推薦的測量方法。4、 電感、電容及組成器件（例如，開關(guān)電源變壓器）等效電磁參數(shù)的動態(tài)測量和分析;5、由測量結(jié)果分析器件下列參數(shù)：z |z|Ls Rs Lp Rp C Q D測試系統(tǒng)具有如下使用、操作特點:多功能、多參數(shù)、寬量程；數(shù)字顯示，直接讀數(shù)，讀數(shù)分辯率達(dá)0.1%；工作頻率范圍：1-550kHz，電壓范圍：4-200V，電流范圍：20-2000mA，功率測量范圍：0.1-200W。 對材料功率損耗作絕對值測量，與其它測量方法（如電橋法）比較，無須標(biāo)準(zhǔn)器具

5、；測量材料功耗的同時可讀取電壓、電流真有效值，測量精度與波形失真無關(guān)（顛值因數(shù)-10）; 操作簡單，測量快捷；對于材料測量，完成一次測量僅需要 5-10 秒鐘，避免試樣溫升引起的測量誤差；對于器件測量，可 以同時取得電流、電壓、功率數(shù)據(jù)，用于復(fù)數(shù)阻抗分析和被測器件等效參數(shù)計算；具有無功電流補(bǔ)償功能。JP2581B的一個優(yōu)點是具有負(fù)載無功電流補(bǔ)償功能。因此，用于大試樣測量時（如EC54磁芯及變壓器），可以明顯改善功率源輸出狀況，提高系統(tǒng)測試能力和工作可靠性，也為保證B 正弦提供了可能。 該測試系統(tǒng)具有獨特的多種磁化波形測試能力，不但可以在正弦波下完成符合國家（或國際）測試標(biāo)準(zhǔn)要求的測試，而且提

6、供了方波、三角波磁化測試能力，用于磁性器件動態(tài)測試與分析。JP2581B+ JP619B材料功耗及器件功率測量系統(tǒng)采用乘法器工作原理，符合IEC367-1和GB9632-88推薦的測試方法。儀器的設(shè)計原則是，提供足夠的測試功能和可靠性。事實上，該儀器對頻率、功率極寬的測量范圍和對失真波形的處理能力，使它適 用于不同材料（如軟磁鐵氧體、非晶、納米材料和鐵粉芯材料等）及器件（如開關(guān)電源變壓器、電感器）在不同應(yīng)用狀態(tài)下功 率損耗和阻抗特性等多種電磁參數(shù)動態(tài)測量。3 測試原理31 磁芯電感器件及其復(fù)阻抗磁芯加上線圈繞組就構(gòu)成一個電感器或扼流圈，如再加上一個或幾個次級繞組則成變壓器，用于反激式單端變換器

7、的功率傳輸 器件因磁路開有氣隙，則稱為變壓器 -扼流圈或儲能變壓器，它們統(tǒng)稱為磁性器件，磁性器件多用串聯(lián)等效電路表示如圖1：Tr磁芯線b磁芯線圈串聯(lián)等效電租磁芯電感及其串聯(lián)等效電路圖中，LS為器件串聯(lián)電感，代表器件儲能部分；r為器件串聯(lián)等效電阻，表示損耗部分。磁芯線圈串聯(lián)等效電路復(fù)阻抗為z=r+j wLS在電工學(xué)中，復(fù)阻抗各部分之間有如下關(guān)系:r=iZlcos 復(fù)數(shù)實；） xL=IZlsin ¥（復(fù)數(shù)虛部）K2串膚電貉現(xiàn)抗復(fù)平面圖上述關(guān)系可用圖2所示復(fù)平面圖表示（直角坐標(biāo)）。3. 2磁性器件復(fù)阻抗測量原理對于高頻開關(guān)變壓器或電感器，從理論上可以通過測量器件有功功率和視在功率得到被測器

8、件端電壓和通過電流之間的相位角有了被測器件端電壓和通過電流值以及它們之間的相位角，就可計算出磁性器件復(fù)數(shù)阻抗，這是該儀器設(shè)計的基本思路。3. 2 . 1儀器工作原理該儀器從定義出發(fā)將電流電壓瞬時值相乘，采用模擬變換和數(shù)字控制技術(shù)完成被測器件電流、電壓真有效值和有功功率測量。 儀器工作核心是一個高（寬）頻乘法器，如圖3所示。尸 v&=UIcos高（寬）頻乘法器設(shè)，磁芯線圈兩端電壓為 U,通過電流為i，則磁芯線圈消耗功率（有功功率）由下式表示:U、I -電壓、電流有效值，U l=S， S為磁芯線圈的視在功率,cos(P功率因數(shù)相位角為3. 2 . 2磁性器件復(fù)數(shù)阻抗及分量計算電工學(xué)中，常用

9、如圖4所示功率三角形表示有功功率、無功功率與視在功率之間的關(guān)系JX磁芯電感等效電路b,功率三角形® 4 （有耗）磁芯電感等效電路與功率三角形由功率三角形可以得到下列關(guān)系:根據(jù)以上關(guān)系由下面各式可以計算磁性器件復(fù)數(shù)阻抗及各分量:1）被測器件阻抗幅值|Z|=U/I；2）功率因數(shù)2二 cos'1 P 甘巧 /IL1：式中，U、I、P有功為電壓電流真有效值和有功功率。3 ）復(fù)數(shù)阻抗z=r+jxL=|Z|（ cos +jsi n ） r =|Z|cos, xL =|Z|sin ；4 ）串聯(lián)等效電感：Ls=xL/2 f5）器件 Q 值和損耗 D： Q=tan =xL/r=2 rfLS/r

10、D=1/Q。因此，只要測出器件電流電壓有效值I、U和有功功率P有功，代入以上各式就能得到被測材料和器件的各項電磁參數(shù)。實現(xiàn)高（寬）頻高場（大信號）工作條件下對材料和器件電磁參數(shù)的動態(tài)分析。4測試系統(tǒng)及連接測試系統(tǒng)由JP2581數(shù)字式寬頻功率測量儀和JP619寬頻功率函數(shù)發(fā)生器構(gòu)成。連接十分簡單，連接示意圖如下:F JP258 J代電JflE岀科于亂覆猿圖5a測量系統(tǒng)組成及連接圖圖5bJP2581B+JF619B外觀ffi 5 JP戈581B+JP6 19B材料功耗及器件功卑測量系統(tǒng)5測試應(yīng)用舉例下面舉五個實際測量例子說明JP2581B+ JP619B測試系統(tǒng)功能和使用方法。實例1磁性材料損耗特

11、性PCV測試實例2高頻開關(guān)變壓器磁芯總功率損耗測量實例3材料振幅磁導(dǎo)率|a和磁芯（有效）振幅磁導(dǎo)率 （g）e測量實例4用于推挽或橋式逆變器中的變壓器動態(tài)測試與分析實例5用于單端反激式變換器開關(guān)變壓器的動態(tài)測試與分析前三例作為基礎(chǔ)，是高頻開關(guān)變壓器用磁芯和材料測試；接著介紹用于雙端和單端逆變電路中兩種不同工作方式的高頻開關(guān)變壓器電磁特性動態(tài)測試和分析。實例1磁性材料損耗特性PCV測試磁性材料損耗特性測試，按國家測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須采用環(huán)形式樣。被測樣品：材料：TP3 （浙江天通電子公司生產(chǎn)，相當(dāng)于日本TDK公司PC30材料）樣環(huán)尺寸：20.1 X 13.3 X6.13mm , N=20 Ts （N匝

12、數(shù)）磁性常數(shù)：C1=2.5mm-1 , C2=0.1mm-3有效參數(shù)：Ae=20.5mm2 , le=51.0mm , Ve=1048.0mm3 測量條件：f=100kHz, Bm=200mT, T=15 C按圖5連接測試系統(tǒng)，測試電壓計算：U=4.44fBmAeN =38.18V。系統(tǒng)設(shè)置：電壓范圍：置 100V擋電流范圍：置100mA擋加測試電壓U=38.18V，將功能控制器置電壓、電流、功率擋分別讀取U、I、P有功值。測量結(jié)果：= 1BVTa = S3.2mAP 有 yPE 示=計薑比功ft； P卅P/Ve-ii.64）W/l.fWicni<n.>72/eni3注意：測量時盡

13、量在5秒內(nèi)讀取功率數(shù)據(jù)，避免材料溫升影響。實例2高頻開關(guān)變壓器磁芯總功率損耗測量：用于測量磁芯的總功耗、比功耗，例如，磁芯生產(chǎn)產(chǎn)品批量檢測和外購開關(guān)變壓器磁芯入庫檢驗。被測樣品：ETD49，材料：TP3（浙江天通電子公司生產(chǎn)，相當(dāng)于日本TDK PC30）磁性常數(shù)：C1=0.5mm-1 , C2=0.01mm-3有效參數(shù)：Ae=216.2mm2 , le=112.2mm , Ve=24262.4mm3測量條件：f=100kHz, Bm=200mT, N= 9 Ts （N-匝數(shù)），Ta= 31 C測試電壓計算：U=4.44fBmAeN =168.6 V。儀器設(shè)置：U : 200V1: 1000mA

14、使U、 I處于儀器規(guī)定的校準(zhǔn)范圍內(nèi)。加工作電壓U=168.6V讀數(shù): 功館遲悴置P 成叫"i-i翻*總遨書軋燮右訃晞祀；i, N ；L5W, 汁凰匕功耗：ro rve-IJ 山口 /24 131 jciti1! fil2WtnL實例3材料振幅磁導(dǎo)率|a和磁芯（有效）振幅磁導(dǎo)率（g）e測量材料振幅磁導(dǎo)率 曲、磁芯（有效）振幅磁導(dǎo)率（a）e測量與功率損耗測試可以同時完成。以磁芯ETD49為例，使用實例2測試結(jié)果：U =U 顯示=168.6V ,1= I 顯示 /2=560mA計算磁芯（有效）振幅磁導(dǎo)率 （a）e：（a）e=Bm/ QHm =2513。計算過程中使用了如下關(guān)系Bm=U/4.

15、44fAeN=0.2THm=1.41NI/ le =62.88A/mp0=0.4 nX 10-6le=11.22cm=0.1122m , Ae=216.2mm2。用同樣方法可測試材料振幅磁導(dǎo)率ia,但一定要使用樣環(huán)測試（按測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定）。實例4用于推挽或橋式逆變器中的變壓器動態(tài)測試與分析在推挽或橋式（全橋、半橋）逆變器研究開發(fā)和生產(chǎn)中，需要全面了解實際工作條件下高頻開關(guān)電源變壓器主要電磁參數(shù)，例如，各種負(fù)載（包括滿載和空載）情況下初級復(fù)數(shù)阻抗z,初級有效電感LP,變壓器通過功率Pth、功率損耗PT、傳輸效率熱阻Rth、溫升AT以及在指定頻率下磁芯的傳輸功率密度DP等。測試系統(tǒng)可以完成所有上述參

16、數(shù)動態(tài)測試而且測量、分析計算也并不復(fù)雜。高頻開關(guān)電源變壓器（或其他磁性器件）電磁參數(shù)動態(tài)測試方法與磁芯損耗測量方法和操作步驟相同。測試步驟和分析方法如 下：1）被測高頻開關(guān)電源變壓器設(shè)計參數(shù)工作頻率仁500kHz，磁通密度 Bm <50mT,磁芯：EFD20 （材料浙江天通公司TP4）,磁芯常數(shù)、等效尺寸：C1=1.52mm-1, Ae=31mm2, le=47mm, Ve=1460mm3 ,初級繞組NP=105Ts。I70V滿載功率為20W.，變壓器結(jié)構(gòu)如圖6所示:d o. 1 e clw. x 2申 asm 枷蜒次圾FFD顫禺譽(yù)變壓器結(jié)構(gòu)圖6 EFD20高頻幵關(guān)電源變更器初級繞繪綾鈔

17、儀器測試端2）測量條件:U=171V（Bm<50mT）, f=500kHz, Pth=20w （RL=0.85?）在測試過程中，用點溫計測量變壓器的溫升。3）測量結(jié)果：EFD20高頻變壓器動態(tài)參數(shù)測試結(jié)果頻率轍入喊壓輸入電流轍入功率繪岀電壓負(fù)載電阻樹出功率室溫溫齊KHz（皿）W(V)W(%)Ct)500171. D14B. 3% 13,930.85IS.230032（自鄧德剛等：EFO20高頻開關(guān)電派變壓器的研究）4）分析和計算電磁參數(shù)根據(jù)以上所測數(shù)據(jù)，可以計算高頻開關(guān)變壓器在實際工作條件下的初級復(fù)數(shù)阻抗z（初級電感LP、有效電阻值r）、功率損耗PT、通過功率Pth、傳輸效率 n EFD

18、20磁芯功率密度DP （f=500 kHz）并通過溫升計算熱阻 Rth等。計算方法和結(jié)果如下：阻抗幅值：|Z|=U/I; =171.0/0.148=1155.4(?)功率因數(shù)：cos'=P/IU=0.755, 1= cos-1 P/IU=41 °式中，U、1、P為電壓電流真有效值和功率讀數(shù)。初級復(fù)阻抗：z=r+jxL=|Z|(cos+jsinr=|Z|cos0=872?,xL=|Z|sin<P=758?z=z=r+jxL=872 ? +j758?,功率驗證： 卩肓吩(U4呼x 872=194W與測量結(jié)果吻合。初級有效電感：Lp=xL/2 n=240時 有載Q值：'

19、;釵=加笙=3二：兀熱阻計算：PT= 19.1-3.93!:二d駒代)，- A n pfk/WH此時，熱阻與實測熱阻(Rth=32 k/w)基本吻合。變壓器的工作溫度約 90C,符合TP4材料最低功耗溫度要求(TP4材料最低功耗溫度為90-100C)。通過功率：Pth= 19.1W輸出功率：P0=(3.93)2 /0.85=18.2(W)傳輸效率 h=( Pth-PT) / Pth= 18.2 /19.1=0.95磁芯傳輸功率密度：EFD20磁芯在頻率為500kHz時傳輸功率密度為DP=Pth/Ve=19.1/1.46=13(W/cm3)。(Philips 公司數(shù)據(jù)為 DF=14W/cm3)。

20、實例5用于單端反激式逆變器開關(guān)變壓器的動態(tài)測試與分析用于單端反激式變換器開關(guān)電源變壓器磁路開有氣隙，作為儲能電感可以次級開路(不接負(fù)載)測試。需要測試如下電磁參數(shù)：初級復(fù)數(shù)阻抗z、有效電感LL、有效電阻r；工作電流峰值IP；功率轉(zhuǎn)換能力(儲能特性E.S);功率轉(zhuǎn)換效率等 n 下面以EFD20變壓器-扼流圈（儲能變壓器）為例說明這類器件的測試分析方法。1）被測開關(guān)變壓器設(shè)計參數(shù)工作頻率仁500kHz，磁通密度 Bm <50mT,磁芯：EFD20（材料 TP4）;磁芯常數(shù)、等效尺寸：C1=1.52mm-1; Ae= 31mm2,le=47mm,Ve=1460mm3,NP=121Ts,氣隙長度

21、 lg=1.3mm用于單端反激式變換器，滿載功率為20W.，變壓器結(jié)構(gòu)同圖7。71737577798183858789被測樣品相位角度)圖7 功率測瑩百分誤差與系統(tǒng)特性、試樣Q值關(guān)紊曲線2）測量條件：f=500kHz, U=173V3）測量結(jié)果：實測數(shù)據(jù)見下表頻率初級電壓初級電流功率損耗(kHz)(V)(mA)(w)50017 3. 075, 60, 304）電磁參數(shù)計算和結(jié)果分析變壓器初級復(fù)數(shù)阻抗|牛 r/ / = 22S8t20.30IH "637560.02 i= cos1 0”U23 = 88.6"初級復(fù)數(shù)阻抗:z=r+jxL=|Z|(cos（p 串、'+j

22、sin）；(pr=|Z|cos -=55.9?,xL=|Z|sln=2287這是可以初級有效電感：LP=xL/2 n=728 |JH與HP4284A測試結(jié)果基本相同（HP4284A測量值為LP=691（H , f=500kHz,v=2.0V）理解的，因為，開隙后磁芯磁化特性接近線性。%初級電感流過的峰值電流：IP=l/0.4=75.6mA/0.4=189mA（按公式I有效= 占空比8=0.5計算）。以上數(shù)據(jù)是在測試電壓為 173V下測試結(jié)果，如果初級電壓有效值為310V ,則IP= （310/173） X189 mA=338.7mA （磁芯有氣隙，可以認(rèn)為磁化特性是線性的）。變壓器儲能特性：1

23、0'* x(338,7>10=41 g皚抿幌PT =轉(zhuǎn)換功率：Pth=E.S X f=41.70J X 500X 103 =20.8(W)加=1.791 - 0.3420 8-0 M *=0.9S :20 8丈際輸出功笫嶺=盡_耳工19 S（Fri。您可以利用該測試系統(tǒng)提供的方波（或三角波）磁化能力，用方波測量器件功耗，這更符合高頻開關(guān)變壓器實際應(yīng)用情況。方 波含有豐富的諧波成分，會對功耗產(chǎn)生影響。6測量系統(tǒng)誤差為了對測量系統(tǒng)的測量誤差進(jìn)行評價，下面進(jìn)行簡要分析我們將會看到，系統(tǒng)測量誤差與被測器件有效Q值有關(guān)。對于實際工作條件下的高頻開關(guān)電源變壓器，由于滿載工作，有效Q值小，因而

24、可以獲得較好的測試精度。按照定義，加于被測試樣上的交流電壓與流過試樣電流瞬時值的乘積在交流一周內(nèi)的平均值即為被測試樣的功率損耗。設(shè)器件復(fù)數(shù)阻抗為z=r+jwL,通過它的電流為i=lmsin et (1)則被測試樣兩端電壓可以表示為u= z x i=lm(r)sin wt+lm(J_)cos wt (2)因電流電壓通道固有延時引起通道相位差為0,按定義將(1 )、(2)式代入并經(jīng)簡化得P=ux i=1/2lm2rcos(+1/2lm2(J_sin 0設(shè)0 1,并以有效值表示得V ： :rcos hLHh 0三山W乜I式中，Q=吐S/r,為被測試樣有效Q值；0-通道之間的附加相位差。顯然，對于容性試樣，P有功=U2G1+Q 0;對于純阻試樣，P有功=I2r或P有功=U2/r (Q=0)。式(3)中，I2 (r) Q 0為誤差項，是由通道相位頻率特性變化引起的功