开关电源变压器参数测试仪研究

刘亚雄　苏明　郭亚妮　魏雅婷

[摘    要]现阶段国内工科类高校、高等职业技术学院依旧以传统线性稳压电源课题教学为主，极少数学校在毕业设计环节、公选课程涉及开关电源相关知识，受实验设备条件限制，教学效果很难达到预期目标。学校作为技能型人才的培育基地，要想培养出适合时代职业特点的技术与技能型人才，专用的实验设备是有效开展实践教学的前提和保障。因此，亟待设计开发一款可直接用于学校实践教学、 专门用于测量开关电源变压器参数的仪器。

[关键词]开关电源变压器;参数;测试仪

[中图分类号]TM433 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）06–00–03

Research on Parameter Tester of Switching Power Transformer

Liu Ya-xiong， Su Ming， Guo Yan-ni， Wei Ya-ting

[Abstract]At present， the traditional linear regulated power supply is still the main subject teaching in domestic engineering colleges and higher vocational and technical colleges. A very few schools are involved in the knowledge of switching power supply in graduation design and public elective courses. Limited by the experimental equipment conditions， the teaching effect is difficult to achieve the expected goal. As the training base of skilled talents， the special experimental equipment is the premise and guarantee for the effective practice teaching in order to cultivate the technical and skilled talents suitable for the occupation characteristics of the times. Therefore， it is urgent to design and develop an instrument which can be directly used in school practice teaching and specially used for measuring the parameters of switching power supply transformer.

[Keywords]switching power transformer; parameter; tester

开关电源由于其体积小、重量轻、转换效率高、应用灵活等优点，在科研、生产、和日常生活中得到广泛应用，近年来，开关电源越来越智能、小型、轻便，可以预测今后电源行业轻薄小型开关的产值所占比重将持续增加。在电源的研发、生产过程中，电源的功能和性能指标能否满足用户的使用要求，是生产厂商和用户最关注的焦点问题。变压器对于开关电源性能的影响非常大，因此准确测量变压器的参数，对电源的研发、生产具有重要意义。

1 开关电源变压器参数测试仪概述

1.1 研发目的

通过对国内市场开关电源变压器参数测试设备的调研，发现目前国内市场现有变压器生产厂家的测试设备，是附加在产品生产线上的，仅能检测部分指标参数;另一类由专业实验室组装的成套设备价格昂贵、体积庞大、操作逻辑复杂，综上所述目前国内市场尚未发现该参数专用测试设备。

1.2 开关电源变压器参数测试仪工作原理

兼顾理论和实践需求，设计开发一款专门用于测量开关电源变压器参数的仪器，该仪器能用于快速测量开关电源变压器的饱和电流、原边电感，漏电感，匝数比，磁化曲线等参数，以图形或数据方式显示于液晶屏上。通过所测试到的参数可以精确的设定开关电源变压器的合理工作区间，提高其工作效率[1]。使其具有测试结果显示直观、易于操作、便于携带，且外观风格接近实验室常规仪器，能够适用于教学、试验等多样化的场合。该测试仪的制造工艺简单、成本低、便于批量生产。测试仪具有以下测试功能：

（1）测量（开关）变压器原边电感，漏电感，饱和电流，显示B-H曲线。

（2）测试匝比，同名端。

（3）指導工作区间选择，指导磁隙调整（以测试数据为基础）。

1.3 测试仪特点

通过快速测量开关电源变压器的饱和电流、原边电感、磁化曲线等参数，以图形或数据方式显示于液晶屏上;所测参数可以精确的设定开关电源变压器的合理工作区间，提高其工作效率;测试仪结合必要的测试电路，充分利用STM32控制器的PWM、AD＼DA、DMA等片内资源，完成项目基本要求的激励、扫描、检测功能[2];利用RTOS系统、PID等算法技术，提高测试精度、速度、便于操作等性能参数，本测试仪具有测试结果显示直观、易于操作、便于携带，且外观风格接近实验室常规仪器的特点，适用于教学、试验等多样化的场合。

2 开关电源变压器参数测试仪研究

2.1 方案设计

利用单片机D/A输出各种激励信号，A/D采集数据信息，经数据运算，按要求以图形和数据方式显示在液晶屏上，屏上显示系统初始主界面，使用者触摸切换测试项目，单片机切换测试电路[3]。

（1）利用编程将测试到的数据经运算后以图形和数据方式显示。

（2）通过单片机D＼A输出各种激励信号。

（3）用户对液晶屏进行操作，相关指令传送给单片机进行电路切换，测试项目切换等功能。

（4）A/D采集数据信息并交给单片机处理。

（5）整个系统的检测系统，通过液晶屏反馈使单片机实现自动检测功能，并将结果通过流程（3）提示给用户或工作人员。

（6）系统的扫描功能，实现与主控单片机的实时交互。

2.2 仪器功能及测量方法

测量开关电源变压器的饱和电流、原边电感，漏电感，匝数比，磁化曲线等参数，具体测试方法如下。

2.2.1 匝比测量

根据变压器的匝比数等于变压器的初级与次级电压比这一原理，通过在变压器的初级加测试电压，然后对其初级、次级电压同时进行A/D转换，再经MCU进行判档转入相应的档位进行测试、计算、存储、显示。

2.2.2 同名端测量

作为变压器电路的核心组成部分，绕组具有非常重要的作用，其中原绕组与电源相连，副绕组则与负载连接。在变压器的使用过程中，通常都会对绕组同名端进行判别，常用的判别方法是实验法，主要有交流感应和直流感应2种方法。本项目中变压器同名端的检测方法是利用检流计法测绕组同名端，如图1所示，将一只检流计和两节干电池按照下图连接，当S闭合瞬间，U1（二次侧自感电动势）端为正，若检流计指针向右偏转，则表明U2端亦为正，可判定U1和U2互为同名端[4]。若S闭合瞬间，指针向左偏转，则表明U1和U2互为异名端。为能够有效降低能耗，干电池应接在高压绕组上，检流计则应接在低压绕组上，以避免对检流计造成严重冲击。

2.2.3 原边电感测量

电感测量的两类仪器：RLC测量（电阻、电感、电容三种都可以测量）和电感测量仪。

电感的测量：空载测量（理论值）和在实际电路中的测量（实际值）[5]。由于电感使用的实际电路过多，难以类举。只有在空载情况下的测量加以解说。电感量的测量步骤如下：

（1）开启电源，设备预热15min。

（2）调节至L档并选定所需测量的电感量。

（3）夹子互夹后复位清零。

（4）在电感两端分别夹上夹子，读取数值同时记录电感量。

（5）重复（3）（4）步骤，多次记录测量值。

（6）对测量值进行对比，若差异不大直接取均值;若差异较大，则需重复上述操作，直至取到电感理论值。

2.2.4 漏电感测量

在穿过次级线圈时，线圈所产生的磁力线不可能全部都能通过，未通过的磁通就称之为漏感。漏感存在于任何一个变压器中，但开关变压器漏感对其电源性能的影响尤甚。铁氧体磁芯材料的磁导率将随着被使用次數的增加而下降，这种情况在高频下更甚。因存在漏感，所以在断开控制开关时将会产生对开关器件造成影响的反电动势;同时，电路的分布电容和变压器线圈分布电容与漏感还可以形成一个振荡回路，导致电路在发生震荡的同时，产生向外辐射的电磁能量，进而造成电磁干扰[6]。本设计中，利用变压器短路试验的方法来测试漏感。即将次级侧短路，初级侧加电压至额定电流。在变压器的T型等值模型中，初、次级漏抗接在串连支路中，励磁阻抗接在并联支路中。在做短路试验时励磁电流很小，一般为额定电流的3%，故可将励磁阻抗支路忽略。变压器模型简化称出，次级漏抗串连模型。由于次级短路，故初级侧外施电压除以电流即为该变压器的漏抗。在额定电流下的电压除以额定电压称为该变压器的短路电压百分数。只需要用MCU控制外设并采集变压器初级侧的电压电流参数经过计算就可以得到变压器的漏感。

2.2.5 饱和电流测量

利用电学原理中的阻抗三角形或电压三角形法，在所测电感和电阻组成的串连电路两端逐步加大交流电压。分别测出总电压、电阻的端电压和电感的端电压。这是一个直角三角形。在线性情况下和饱和情况下，阻抗三角形的角度都不会发生什么明显的变化[7]。所以在变化大的范围内不妨多测几点，就可以找出电感的饱和点或临界的区域，此时电阻的端电压除以电阻就是对应的饱和电流了。

2.2.6 B-H曲线

磁化曲线是表示物质中的磁场强度H与所感应的磁感应强度B之间的关系。用图形来表示某种铁磁材料在磁化过程中磁感强度B与磁场强度H之间关系的一种曲线，又叫B-H曲线，如图2所示。

这种曲线可以通过实验方法测得。B与H之间存在着非线性关系。当H逐渐增大时，B也增加，但上升缓慢。当H继续增大时，B急骤增加，几乎成直线上升，当H进一步增大时，B的增加又变得缓慢，到达某一点时，H值即使再增加，B却几乎不再增加，即达到了饱和。不同的铁磁材料有着不同的磁化曲线，其B的饱和值也不相同。但同一种材料，其B的饱和值是一定的。变压器的B-H曲线可由MCU配合运算放大器计算得出。

3 结语

本项目设计开发的是专门用于测量开关电源变压器参数的教学仪器，一方面可以弥补国内市场的不足，另一方面，将其应用于学校实践教学，为学生创设更好的教学条件，帮助学生尽快掌握开关电源相关原理和测试技术。

参考文献

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[2] 徐巧玲.开关电源之高频变压器设计[J].科学技术创新，2018（32）：162-163.

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[4] 徐振德.如何准确有效的测试开关电源变压器的结构参数[J].磁性元件与电源，2017（10）：143-146.

[5] 严向坤，张伟贤，吴泳航，等.有载开关参数测试仪测量结果的不确定度评定分析[J].广东科技，2018，27（5）：62-65.

[6] 方健，方敏，欧国东，等.混合式配电变压器有载调压开关的结构与参数设计[J].南方电网技术，2019，13（11）：61-68，82.

[7] 储萍，沈科杰，李伟，等.反激式开关电源变压器的设计研究：[J].工业控制计算机，2012（10）：112-113.

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