开关电源原理与设计（连载78）

图2－52 （a）中间留有气隙的开关变压器铁芯的原理图

图2－52 （b）中间留有气隙的开关变压器铁芯的磁化曲线图

由于导磁率的变化范围太大，且容易饱和，因此，一般开关电源使用的开关变压器都要在开关变压器铁芯中间留气隙。图2-52-a) 是中间留有气隙的开关变压器铁芯的原理图，图2-52-b) 是中间留有气隙的开关变压器铁芯的磁化曲线图，及计算开关变压器铁芯最佳气隙长度的原理图。

图2-52-b) 中，虚线是没留有气隙开关变压器铁芯的磁化曲线，实线是留有气隙开关变压器铁芯的磁化曲线；曲线b是留有气隙开关变压器铁芯的等效磁化曲线，其等效导磁率，即曲线的斜率为tgβ ； μa是留有气隙开关变压器铁芯的平均导磁率； μc是没留有气隙时开关变压器铁芯的导磁率。

由图2-52可以看出，开关变压器铁芯的气隙长度留得越大，其平均导磁率就越小，而开关变压器铁芯就不容易饱和；但开关变压器铁芯的平均导磁率越小，开关变压器初、次级线圈之间的漏感就越大。因此，开关变压器铁芯气隙长度的设计是一个比较复杂的计算过程，并且还要根据开关电源的输出功率以及电压变化范围（占空比变化范围）综合考虑。不过我们可以通过对开关变压器伏秒容量的测量，同时检查开关变压器铁芯气隙长度留得是否合适。

关于开关变压器铁芯气隙长度的设计，请参考前面《2-1-13．开关变压器铁芯气隙的选取》章节的内容，更详细的内容准备留待以后面对开关变压器进行设计时再进行分析。

这里还需特别指出，同是一个开关变压器，由于开关电源工作时占空比的不同，或者占空比在不断地改变，使得开关变压器铁芯的磁化曲线也在不断地改变，即：磁化曲线中的最大磁感应强度Bm和剩磁Br都不是一个固定值；当占空比比较大时，由于励磁电流的增大，最大磁感应强度Bm也会相应提高，此时开关变压器次级线圈的电流也会增加，从而使退磁电流也增加，退磁电流增加对降低开关变压器铁芯的剩磁Br很有利，使磁通增量⊿B也相应增加。因此，用于计算开关变压器伏秒容量的（2-146）式，实际上只有计算开关变压器的最大伏秒容量时才有意义。

另外，图2-51中表示导磁率的 的曲线也不是一成不变的，它受温度的影响非常大。因为，目前大多数开关变压器使用的铁芯材料，基本上都是铁氧体导磁材料，这些铁氧体变压器铁芯是由多种铁磁金属材料与非金属材料混合在一起，然后按陶瓷的生产工艺，把铁磁混合材料冲压成型，最后加高温烧结而成的。由于铁氧体属于金属氧化物，大部分金属氧化物都具有半导体材料的共同性质，就是电阻率会随温度变化，并且变化率很大。热敏电阻就是根据这些性质制造出来的，温度每升高一倍，电阻率就会下降（或上升）好几倍，甚至几百倍。大多数热敏电阻的材料都属于金属氧化物，因此，铁氧体也具有热敏电阻的性质。

铁氧体变压器铁芯在常温下，虽然电阻率很大，但当温度升高时，电阻率会急速下降，使涡流损耗增加；当温度升高到某个极限值时，变压器初级线圈的有效电感量几乎下降到0，相当于导磁率也下降到0，或相当于变压器次级线圈被短路，此时的温度称为居里温度，用Tc表示。因此，铁氧体的电阻率和导磁率都是不稳定的，铁氧体开关变压器的工作温度不能很高，一般不要超过 。图2-53是日本TDK公司高导磁率材料H5C4系列铁芯初始导磁率μi 随温度变化的曲线图，其居里温度Tc大约为120℃。

图2－53 日本TDK公司高导磁率材料H5C4系列铁芯初始导磁率μi 随温度变化的曲线图