關注電子變壓器設計中對伏秒特性(ET積)要求

李宗正 汪洪偉 何嬋娟

摘? 要：電子變壓器在現代信息化電子系統起著十分重要的作用，對電子變壓器的可靠性要求也越來越高，但是，常常有些設計考慮不周引起系統故障的案例時有發生，這主要表現在一些第二供應商的cost down設計，例如，有些忽略了電子變壓器的伏秒特性（ET積）設計，給客戶帶來不必要的整機故障或者最終客戶的投訴，甚至導致客戶重大經濟損失，最終也引起變壓器生產商的損失。這里以一個案例分析， 說明關注電子變壓器設計中伏秒特性ET積要求的重要性，同時呼吁從源頭的磁芯生產廠就提供伏秒特性指標給變壓器生產廠使用。

關鍵詞：電子變壓器 鐵氧體磁芯 伏秒特性? ET積

中圖分類號：TM41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

在電子變壓器設計中，有個指標比較重要，但卻往往被一些工程師忽略，主要原因是對它的測試比較困難，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的脈沖信號的幅度E和持續時間T的乘積，一般的ET積的單位是伏-微妙（V-?s），這個ET積代表變壓器能承受住一定電壓下的持續時間的能力，可以看得出，變壓器設計定型后其允許的最大ET值就已經定型（是一個定數），客戶使用時如果輸入到變壓器的脈沖信號的電壓越高，那么持續的時間就只能適當減小，因為， E與T的乘積是一個定數，只要客戶選擇的輸入信號的ET相乘不超過變壓器生產廠提供的規格書里面的最大值， 就不會有問題，不然，這個電子變壓器可能會因為發熱而失去磁性，導致線路故障。

這種情況在信號類電子變壓器和功率類電子變壓器設計中都有可能發生，早期的變壓器（不論信號類還是功率類變壓器）設計指標中一般都有ET值規定， 甚至一些磁芯供應商在規格中也有標明一圈的伏秒值（例如美國鐵氧體磁芯供應商Ferronics，Stweard等），后來幾乎沒有幾個變壓器生產廠商規定ET值這個指標，更不要說磁芯供應商提供伏秒特性指標。到目前為止，作者知道的范圍之內有美資Pulse公司和德國VAC公司的部分產品標有ET值規格，提醒客戶使用變壓器時不要超過規定的ET值。另一方面，從客戶應用來看，信號類變壓器的輸入功率很小，一般客戶應用不會超過變壓器的ET值，但在功率變壓器中出現的情況比相對較多，而且主要是信號類變壓器工程師承擔的功率變壓器逆向設計時，往往會忽略這個ET值的要求，本文以一個實例特別提出關注電子變壓器設計中的伏秒特性要求的重要性。

1? 一個變壓器ET積的計算方法實例

1.1 一個美資公司功率變壓器PA0184NL

這個變壓器是第一供應商應商設計，在規格書中有明確的ET值指標，最大不能超過27.2V-?s（見表1）。

1.2 客戶使用PA0148NL變壓器時的應用

客戶使用PA0148NL變壓器時的應用，見圖1。

1.3 有ET問題的變壓器（T08）設計分析

后來客戶找其他供應商作同類產品，第二供應商替換設計型號是T08，但第二供應商的產品在客戶使用過程中在高溫情況下有大約1%失效不良，初步猜測是工程師在設計過程中沒有考慮原始設計規格中的ET值指標，也沒有ET測試工具來測試這個指標導致的失效。具體分析如下：

T08使用的原始設計方案只達到了第一供應商規格中的電感需求，而沒有考慮伏秒特性要求。

磁芯選擇：臺灣YST型號LH10R4/2/2PN，磁導率是10000?i，AL=2.4?Hmin，磁環截面積Ae=1.92mm2， 繞線圈數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，根據經驗公式，計算這個磁環1圈的伏秒值：18.39×Ae+0.12=18.39×0.0192+0.12= 0.473（V-?s）

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

這個值遠遠達不到第一供應商規格書引述的27.2V-?s的要求。

另一方面，根據ET值的理論計算公式：

ET=N×B×A/100（單位：V-?s）

上式中N=繞線圈數，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，或選擇截面積較大的磁芯材料。這樣經過再次選擇。

1.4 更新后的變壓器設計

按照以上分析，新的磁芯和增加繞線圈數，更新的設計如下：

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

測量的AL=1.45?H。

繞線圈數：36TS。

按照經驗公式理論計算1T的伏秒值：32.28×Ae-0.02=32.28×4.075-0.02=1.29541（V-?s）

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

這個設計的ET大約是46.6V-?s，遠遠高于失效變壓器的設計值11.74V-?s，同時也能滿足第一供應商的設計值27.2V-?s的要求，用上面的理論計算公式驗證：

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

可以看出更新設計中，不論是理論計算ET值（32.27V-?s）還是經驗公式計算的ET值（46.6V-?s），都能達到大于第一供應商的原始設計（27.2V-?s），同時，更新設計的樣品客戶測試也順利通過。

2? 注意事項

2.1 變壓器設計時注意

這里需要理解ET值的最大和最小的意義，變壓器供應商在設計或生產測試時要保證產品具有最小的ET值（就本文案例，這個變壓器生產廠要保證每個產品的ET值都大于27.2V-?S），而變壓器供應商給客戶的規格書中要標明客戶在使用時不能超過的一個最大的ET值（要求客戶設計線路時輸入到變壓器的脈沖信號的E和T的乘積不超過27.2V-?S，也就是27.2V-?S Max.），這樣變壓器在客戶使用過程中就安全可靠。

2.2 客戶使用變壓器時注意

從圖1可以看出，這是一個單極性脈沖變壓器應用，本文的ET計算是適合單極性（Unipolar）應用，如果是雙極性（Bipolar）應用，那么，同一個變壓器的ET容量不變的情況下，客戶可以加倍使用，也就是說，例如本案例中PA0184規格書中注明最大伏秒值是27.7V-?s是適應單極性應用，如果客戶用于多極性線路中，那么，這個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 變壓器規格書中有ET指標舉例

表2是德國VAC公司相關數據表， 其中的伏秒特性表達方式為∫Udt，代表經過變壓器初級到次級輸出的脈沖電壓在時域的積分，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時間的乘積的面積，單位仍然是伏微妙（V-?s）。

絕緣柵雙極型晶體管用柵極驅動變壓器電磁特性：

在現代變頻驅動器（VFD）中，變頻級采用IGBT進行變頻。相應的門驅動電路需要為開關提供必要的電源。在中高功率應用中，DC/DC轉換器通常用于此目的。IGBT柵極驅動變壓器是保證中間電路與低壓控制側電流安全分離的關鍵元件。通過使用由納米晶VITROPERM?制成的環形芯，可以在極其緊湊的外殼中傳輸所需的開關電源，節省寶貴的PCB空間。先進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，以滿足不同的應用要求。

2.4 磁芯規格書中有ET指標舉例

建議國產磁芯生產廠商增加磁芯的ET值指標，有利于電子變壓器行業標準化。從20世紀90年代的一個國外磁芯參考圖（見圖2），可以看出早期磁環規格中的伏秒特性指標：

以下測試環境溫度在25℃。

（1）磁環尺寸。圖中磁環的尺寸單位是英吋（外徑0.157×內徑0.086×厚度0.081），用毫米表達，就是（外徑4.0×內徑2.18×厚度2.06）。

這里的磁環尺寸包括磁環外面的帕利靈保護膜厚度0.0127mm。

（2）磁導率。錳鋅材料的初始磁導率是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（定義居里溫度點的材料磁導率為初始磁導率的90%）

（5）耐壓。磁耐壓環外面保護層絕緣耐壓750V交流AC（在磁環上下兩個表面之間設置導電平板，高壓測試持續時間1s）。

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

3? 結語

無論信號類變壓器還是功率類變壓器，不論作為第一供應商的原始設計，還是第二供應商的逆向設計，都需要關注ET積這個指標，只有這樣，才能給變壓器客戶使用帶來可靠性保證。

參考文獻

[1] 張弦，劉剛，陳榮鋒.10kV配電網絕緣子雷電沖擊伏秒特性研究[J].電氣應用，2015，34（13）：60-63.

[2] 謝兵，曾凡輝，狄義偉，等.SF_6氣體間隙伏秒特性計算方法[A]. 中國電力科學研究院有限公司、國網電投（北京）科技中心、《電子技術應用》雜志社.2017年“電子技術應用”智能電網會議論文集[C].中國電力科學研究院有限公司、國網電投（北京）科技中心、《電子技術應用》雜志社：國網電投（北京）科技中心，2017：5.

[3] 崔樂，李春.基于伏秒平衡原理的Boost升壓斬波電路分析[J].自動化與儀器儀表，2019（8）：95-97，101.

[4] 林燎源，戴宇杰，朱鎧.基于橋臂伏秒積平均反饋的逆變器及其并聯系統直流分量抑制[J].電網技術，2020，44（07）：2683-2690.

[5] 李彪，李孜，饒俊峰，等.快前沿單級磁壓縮發生器的試驗研究[J].電力科學與工程，2018，34（12）：37-42.

[6] 崔言程，楊漢武，高景明，等.一種脈寬可調的陡化后沿高壓脈沖發生器[J].強激光與粒子束， 2018， 30（10）：81-84.

[7] 王政，儲凱，張兵，等.移相占空比控制的三端口雙向直流變換器[J].電機與控制學報，2015，19（7）：81-87.

[8] 李光范，李博，李鵬，等.特高壓變壓器雷電沖擊伏秒特性研究[J].電網技術，2008（14）：1-4.

[9] PA0184NL 產品規格書（specification datasheet）https：//productfinder.pulseeng.com/product/PA0184NL.

[10] GB/T9632.1-2002 GB/T 9632.1-2002 <<通信用電感器和變壓器磁心測量方法>> [S]，2002.Measuring methods of cores for inductors and transformers for telecommunications http：//www.bzxz.net/bzxz/39351.html.

[11] Magnetic Components Design and__Applications [e-books]Springer Netherlands，Steve Smith （author）https：//b-ok.cc/s/Magnetic%20Components%20Design%20and__%20Applications.

[12] GATE DRIVE TRANSFORMERS FOR IGBT? ?https：//www.vacuumschmelze.com/Assets-Web/PI-IA_4.pdf.