李宗正 汪洪偉 何嬋娟

摘? 要：電子變壓器在現(xiàn)代信息化電子系統(tǒng)起著十分重要的作用，對(duì)電子變壓器的可靠性要求也越來(lái)越高，但是，常常有些設(shè)計(jì)考慮不周引起系統(tǒng)故障的案例時(shí)有發(fā)生，這主要表現(xiàn)在一些第二供應(yīng)商的cost down設(shè)計(jì)，例如，有些忽略了電子變壓器的伏秒特性（ET積）設(shè)計(jì)，給客戶帶來(lái)不必要的整機(jī)故障或者最終客戶的投訴，甚至導(dǎo)致客戶重大經(jīng)濟(jì)損失，最終也引起變壓器生產(chǎn)商的損失。這里以一個(gè)案例分析， 說(shuō)明關(guān)注電子變壓器設(shè)計(jì)中伏秒特性ET積要求的重要性，同時(shí)呼吁從源頭的磁芯生產(chǎn)廠就提供伏秒特性指標(biāo)給變壓器生產(chǎn)廠使用。

關(guān)鍵詞：電子變壓器 鐵氧體磁芯 伏秒特性? ET積

中圖分類號(hào)：TM41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）01（a）-0047-06

Abstract： The electronic transformer plays a very important role in the modern information electronic system， the demand for the reliability of electronic transformer is getting higher and higher. However， there are many cases of system failure caused by improper design consideration， which is mainly reflected in cost down design of some second suppliers， for example， some neglect the design of the voltage-second characteristic （ET product） of the electronic transformer， which brings the customer unnecessary whole machine fault or the final customer's complaint， even causes the customer significant economic loss， finally also causes the transformer manufacturer's loss. In this paper， a case study is presented to illustrate the importance of paying attention to the volt-second characteristic ET product in the design of electronic transformer.? At the same time， it is called for the core manufacturers from the source to provide volt - second characteristics for transformer manufacturers to use.

Key Words： Electronic transformer; Ferrite core; Volt-second characteristic; ET product

在電子變壓器設(shè)計(jì)中，有個(gè)指標(biāo)比較重要，但卻往往被一些工程師忽略，主要原因是對(duì)它的測(cè)試比較困難，這就是伏秒特性，也叫做ET積，ET積指的就是加到變壓器初級(jí)的脈沖信號(hào)的幅度E和持續(xù)時(shí)間T的乘積，一般的ET積的單位是伏-微妙（V-?s），這個(gè)ET積代表變壓器能承受住一定電壓下的持續(xù)時(shí)間的能力，可以看得出，變壓器設(shè)計(jì)定型后其允許的最大ET值就已經(jīng)定型（是一個(gè)定數(shù)），客戶使用時(shí)如果輸入到變壓器的脈沖信號(hào)的電壓越高，那么持續(xù)的時(shí)間就只能適當(dāng)減小，因?yàn)椋?E與T的乘積是一個(gè)定數(shù)，只要客戶選擇的輸入信號(hào)的ET相乘不超過(guò)變壓器生產(chǎn)廠提供的規(guī)格書(shū)里面的最大值， 就不會(huì)有問(wèn)題，不然，這個(gè)電子變壓器可能會(huì)因?yàn)榘l(fā)熱而失去磁性，導(dǎo)致線路故障。

這種情況在信號(hào)類電子變壓器和功率類電子變壓器設(shè)計(jì)中都有可能發(fā)生，早期的變壓器（不論信號(hào)類還是功率類變壓器）設(shè)計(jì)指標(biāo)中一般都有ET值規(guī)定， 甚至一些磁芯供應(yīng)商在規(guī)格中也有標(biāo)明一圈的伏秒值（例如美國(guó)鐵氧體磁芯供應(yīng)商Ferronics，Stweard等），后來(lái)幾乎沒(méi)有幾個(gè)變壓器生產(chǎn)廠商規(guī)定ET值這個(gè)指標(biāo)，更不要說(shuō)磁芯供應(yīng)商提供伏秒特性指標(biāo)。到目前為止，作者知道的范圍之內(nèi)有美資Pulse公司和德國(guó)VAC公司的部分產(chǎn)品標(biāo)有ET值規(guī)格，提醒客戶使用變壓器時(shí)不要超過(guò)規(guī)定的ET值。另一方面，從客戶應(yīng)用來(lái)看，信號(hào)類變壓器的輸入功率很小，一般客戶應(yīng)用不會(huì)超過(guò)變壓器的ET值，但在功率變壓器中出現(xiàn)的情況比相對(duì)較多，而且主要是信號(hào)類變壓器工程師承擔(dān)的功率變壓器逆向設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)忽略這個(gè)ET值的要求，本文以一個(gè)實(shí)例特別提出關(guān)注電子變壓器設(shè)計(jì)中的伏秒特性要求的重要性。

1? 一個(gè)變壓器ET積的計(jì)算方法實(shí)例

1.1 一個(gè)美資公司功率變壓器PA0184NL

這個(gè)變壓器是第一供應(yīng)商應(yīng)商設(shè)計(jì)，在規(guī)格書(shū)中有明確的ET值指標(biāo)，最大不能超過(guò)27.2V-?s（見(jiàn)表1）。

1.2 客戶使用PA0148NL變壓器時(shí)的應(yīng)用

客戶使用PA0148NL變壓器時(shí)的應(yīng)用，見(jiàn)圖1。

1.3 有ET問(wèn)題的變壓器（T08）設(shè)計(jì)分析

后來(lái)客戶找其他供應(yīng)商作同類產(chǎn)品，第二供應(yīng)商替換設(shè)計(jì)型號(hào)是T08，但第二供應(yīng)商的產(chǎn)品在客戶使用過(guò)程中在高溫情況下有大約1%失效不良，初步猜測(cè)是工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有考慮原始設(shè)計(jì)規(guī)格中的ET值指標(biāo)，也沒(méi)有ET測(cè)試工具來(lái)測(cè)試這個(gè)指標(biāo)導(dǎo)致的失效。具體分析如下：

T08使用的原始設(shè)計(jì)方案只達(dá)到了第一供應(yīng)商規(guī)格中的電感需求，而沒(méi)有考慮伏秒特性要求。

磁芯選擇：臺(tái)灣YST型號(hào)LH10R4/2/2PN，磁導(dǎo)率是10000?i，AL=2.4?Hmin，磁環(huán)截面積Ae=1.92mm2， 繞線圈數(shù)25Ts。電感量L=25×25×2.4=1500?H min，電感量大于1200?H能滿足要求。

再看伏秒特性ET值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算這個(gè)磁環(huán)1圈的伏秒值：18.39×Ae+0.12=18.39×0.0192+0.12= 0.473（V-?s）

繞線總?cè)?shù)25T，所以，變壓器的總的伏秒值：0.473*25=11.83（V-?s）

這個(gè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到第一供應(yīng)商規(guī)格書(shū)引述的27.2V-?s的要求。

另一方面，根據(jù)ET值的理論計(jì)算公式：

ET=N×B×A/100（單位：V-?s）

上式中N=繞線圈數(shù)，選擇B=2200高斯，A=磁芯有效截面積cm2。

可以看出，要提高變壓器的ET值，可以增加繞線圈數(shù)，或選擇截面積較大的磁芯材料。這樣經(jīng)過(guò)再次選擇。

1.4 更新后的變壓器設(shè)計(jì)

按照以上分析，新的磁芯和增加繞線圈數(shù)，更新的設(shè)計(jì)如下：

磁環(huán)尺寸T5.84×3.05×3.05? 選擇4000?i材料，Ae=4.075mm2。

測(cè)量的AL=1.45?H。

繞線圈數(shù)：36TS。

按照經(jīng)驗(yàn)公式理論計(jì)算1T的伏秒值：32.28×Ae-0.02=32.28×4.075-0.02=1.29541（V-?s）

繞線總?cè)?shù)36T，所以，變壓器的總的伏秒值：1.29541×36=46.6（V-?s）。

這個(gè)設(shè)計(jì)的ET大約是46.6V-?s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于失效變壓器的設(shè)計(jì)值11.74V-?s，同時(shí)也能滿足第一供應(yīng)商的設(shè)計(jì)值27.2V-?s的要求，用上面的理論計(jì)算公式驗(yàn)證：

ET=NBA/100=36×2200×0.04075/100=32.27V-?s的要求。

可以看出更新設(shè)計(jì)中，不論是理論計(jì)算ET值（32.27V-?s）還是經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的ET值（46.6V-?s），都能達(dá)到大于第一供應(yīng)商的原始設(shè)計(jì)（27.2V-?s），同時(shí)，更新設(shè)計(jì)的樣品客戶測(cè)試也順利通過(guò)。

2? 注意事項(xiàng)

2.1 變壓器設(shè)計(jì)時(shí)注意

這里需要理解ET值的最大和最小的意義，變壓器供應(yīng)商在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)測(cè)試時(shí)要保證產(chǎn)品具有最小的ET值（就本文案例，這個(gè)變壓器生產(chǎn)廠要保證每個(gè)產(chǎn)品的ET值都大于27.2V-?S），而變壓器供應(yīng)商給客戶的規(guī)格書(shū)中要標(biāo)明客戶在使用時(shí)不能超過(guò)的一個(gè)最大的ET值（要求客戶設(shè)計(jì)線路時(shí)輸入到變壓器的脈沖信號(hào)的E和T的乘積不超過(guò)27.2V-?S，也就是27.2V-?S Max.），這樣變壓器在客戶使用過(guò)程中就安全可靠。

2.2 客戶使用變壓器時(shí)注意

從圖1可以看出，這是一個(gè)單極性脈沖變壓器應(yīng)用，本文的ET計(jì)算是適合單極性（Unipolar）應(yīng)用，如果是雙極性（Bipolar）應(yīng)用，那么，同一個(gè)變壓器的ET容量不變的情況下，客戶可以加倍使用，也就是說(shuō)，例如本案例中PA0184規(guī)格書(shū)中注明最大伏秒值是27.7V-?s是適應(yīng)單極性應(yīng)用，如果客戶用于多極性線路中，那么，這個(gè)變壓器的伏秒特性容量可以加大到2×27.2=54.4（V-?s）作為最大值，而不需要更新變壓器。

2.3 變壓器規(guī)格書(shū)中有ET指標(biāo)舉例

表2是德國(guó)VAC公司相關(guān)數(shù)據(jù)表， 其中的伏秒特性表達(dá)方式為∫Udt，代表經(jīng)過(guò)變壓器初級(jí)到次級(jí)輸出的脈沖電壓在時(shí)域的積分，其物理意義是指在變壓器飽和之前所能承受的最大電壓和最長(zhǎng)時(shí)間的乘積的面積，單位仍然是伏微妙（V-?s）。

絕緣柵雙極型晶體管用柵極驅(qū)動(dòng)變壓器電磁特性：

在現(xiàn)代變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）中，變頻級(jí)采用IGBT進(jìn)行變頻。相應(yīng)的門(mén)驅(qū)動(dòng)電路需要為開(kāi)關(guān)提供必要的電源。在中高功率應(yīng)用中，DC/DC轉(zhuǎn)換器通常用于此目的。IGBT柵極驅(qū)動(dòng)變壓器是保證中間電路與低壓控制側(cè)電流安全分離的關(guān)鍵元件。通過(guò)使用由納米晶VITROPERM?制成的環(huán)形芯，可以在極其緊湊的外殼中傳輸所需的開(kāi)關(guān)電源，節(jié)省寶貴的PCB空間。先進(jìn)的絕緣和繞組概念確保最高的電暈消光電壓和低耦合電容。一個(gè)大的組合為典型的工作電壓在500V到1200 V之間是可用的。變壓器具有不同的傳輸比和伏秒積范圍，以滿足不同的應(yīng)用要求。

2.4 磁芯規(guī)格書(shū)中有ET指標(biāo)舉例

建議國(guó)產(chǎn)磁芯生產(chǎn)廠商增加磁芯的ET值指標(biāo)，有利于電子變壓器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。從20世紀(jì)90年代的一個(gè)國(guó)外磁芯參考圖（見(jiàn)圖2），可以看出早期磁環(huán)規(guī)格中的伏秒特性指標(biāo)：

以下測(cè)試環(huán)境溫度在25℃。

（1）磁環(huán)尺寸。圖中磁環(huán)的尺寸單位是英吋（外徑0.157×內(nèi)徑0.086×厚度0.081），用毫米表達(dá)，就是（外徑4.0×內(nèi)徑2.18×厚度2.06）。

這里的磁環(huán)尺寸包括磁環(huán)外面的帕利靈保護(hù)膜厚度0.0127mm。

（2）磁導(dǎo)率。錳鋅材料的初始磁導(dǎo)率是5000（參考值）。

（3）電感因子AL。AL=1.133μH/T2，誤差范圍從+30%到-20%，測(cè)試條件：每圈線圈加電壓0.8Vrms，頻率100kHz（大約10高斯）。

（4）居里溫度TC。130℃最小（定義居里溫度點(diǎn)的材料磁導(dǎo)率為初始磁導(dǎo)率的90%）

（5）耐壓。磁耐壓環(huán)外面保護(hù)層絕緣耐壓750V交流AC（在磁環(huán)上下兩個(gè)表面之間設(shè)置導(dǎo)電平板，高壓測(cè)試持續(xù)時(shí)間1s）。

（6）ET值。0.34 V-?s最小/每圈，測(cè)試條件，輸入信號(hào)為單極脈沖，磁環(huán)繞線10圈，輸入脈沖電壓2V，脈沖頻率50kHz，脈寬3?s，調(diào)整脈寬或電壓，使得飽和電流達(dá)到1.5倍最大線性電流時(shí)的輸入電壓伏與脈沖寬度秒之積。

3? 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論信號(hào)類變壓器還是功率類變壓器，不論作為第一供應(yīng)商的原始設(shè)計(jì)，還是第二供應(yīng)商的逆向設(shè)計(jì)，都需要關(guān)注ET積這個(gè)指標(biāo)，只有這樣，才能給變壓器客戶使用帶來(lái)可靠性保證。

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