关注电子变压器设计中对伏秒特性(ET积)要求

李宗正 汪洪伟 何婵娟

摘  要：电子变压器在现代信息化电子系统起着十分重要的作用，对电子变压器的可靠性要求也越来越高，但是，常常有些设计考虑不周引起系统故障的案例时有发生，这主要表现在一些第二供应商的cost down设计，例如，有些忽略了电子变压器的伏秒特性（ET积）设计，给客户带来不必要的整机故障或者最终客户的投诉，甚至导致客户重大经济损失，最终也引起变压器生产商的损失。这里以一个案例分析， 说明关注电子变压器设计中伏秒特性ET积要求的重要性，同时呼吁从源头的磁芯生产厂就提供伏秒特性指标给变压器生产厂使用。

关键词：电子变压器 铁氧体磁芯 伏秒特性  ET积

中图分类号：TM41                            文獻标识码：A                  文章编号：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

在电子变压器设计中，有个指标比较重要，但却往往被一些工程师忽略，主要原因是对它的测试比较困难，这就是伏秒特性，也叫做ET积，ET积指的就是加到变压器初级的脉冲信号的幅度E和持续时间T的乘积，一般的ET积的单位是伏-微妙（V-?s），这个ET积代表变压器能承受住一定电压下的持续时间的能力，可以看得出，变压器设计定型后其允许的最大ET值就已经定型（是一个定数），客户使用时如果输入到变压器的脉冲信号的电压越高，那么持续的时间就只能适当减小，因为， E与T的乘积是一个定数，只要客户选择的输入信号的ET相乘不超过变压器生产厂提供的规格书里面的最大值， 就不会有问题，不然，这个电子变压器可能会因为发热而失去磁性，导致线路故障。

这种情况在信号类电子变压器和功率类电子变压器设计中都有可能发生，早期的变压器（不论信号类还是功率类变压器）设计指标中一般都有ET值规定， 甚至一些磁芯供应商在规格中也有标明一圈的伏秒值（例如美国铁氧体磁芯供应商Ferronics，Stweard等），后来几乎没有几个变压器生产厂商规定ET值这个指标，更不要说磁芯供应商提供伏秒特性指标。到目前为止，作者知道的范围之内有美资Pulse公司和德国VAC公司的部分产品标有ET值规格，提醒客户使用变压器时不要超过规定的ET值。另一方面，从客户应用来看，信号类变压器的输入功率很小，一般客户应用不会超过变压器的ET值，但在功率变压器中出现的情况比相对较多，而且主要是信号类变压器工程师承担的功率变压器逆向设计时，往往会忽略这个ET值的要求，本文以一个实例特别提出关注电子变压器设计中的伏秒特性要求的重要性。

1  一个变压器ET积的计算方法实例

1.1 一个美资公司功率变压器PA0184NL

这个变压器是第一供应商应商设计，在规格书中有明确的ET值指标，最大不能超过27.2V-?s（见表1）。

1.2 客户使用PA0148NL变压器时的应用

客户使用PA0148NL变压器时的应用，见图1。

1.3 有ET问题的变压器（T08）设计分析

后来客户找其他供应商作同类产品，第二供应商替换设计型号是T08，但第二供应商的产品在客户使用过程中在高温情况下有大约1%失效不良，初步猜测是工程师在设计过程中没有考虑原始设计规格中的ET值指标，也没有ET测试工具来测试这个指标导致的失效。具体分析如下：

T08使用的原始设计方案只达到了第一供应商规格中的电感需求，而没有考虑伏秒特性要求。

磁芯选择：台湾YST型号LH10R4/2/2PN，磁导率是10000?i，AL=2.4?Hmin，磁环截面积Ae=1.92mm2， 绕线圈数25Ts。电感量L=25×25×2.4=1500?H min，电感量大于1200?H能满足要求。

再看伏秒特性ET值，根据经验公式，计算这个磁环1圈的伏秒值：18.39×Ae+0.12=18.39×0.0192+0.12= 0.473（V-?s）

绕线总圈数25T，所以，变压器的总的伏秒值：0.473*25=11.83（V-?s）

这个值远远达不到第一供应商规格书引述的27.2V-?s的要求。

另一方面，根据ET值的理论计算公式：

ET=N×B×A/100（单位：V-?s）

上式中N=绕线圈数，选择B=2200高斯，A=磁芯有效截面积cm2。

可以看出，要提高变压器的ET值，可以增加绕线圈数，或选择截面积较大的磁芯材料。这样经过再次选择。

1.4 更新后的变压器设计

按照以上分析，新的磁芯和增加绕线圈数，更新的设计如下：

磁环尺寸T5.84×3.05×3.05  选择4000?i材料，Ae=4.075mm2。

测量的AL=1.45?H。

绕线圈数：36TS。

按照经验公式理论计算1T的伏秒值：32.28×Ae-0.02=32.28×4.075-0.02=1.29541（V-?s）

绕线总圈数36T，所以，变压器的总的伏秒值：1.29541×36=46.6（V-?s）。

这个设计的ET大约是46.6V-?s，远远高于失效变压器的设计值11.74V-?s，同时也能满足第一供应商的设计值27.2V-?s的要求，用上面的理论计算公式验证：

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

可以看出更新设计中，不论是理论计算ET值（32.27V-?s）还是经验公式计算的ET值（46.6V-?s），都能达到大于第一供应商的原始设计（27.2V-?s），同时，更新设计的样品客户测试也顺利通过。

2  注意事项

2.1 变压器设计时注意

这里需要理解ET值的最大和最小的意义，变压器供应商在设计或生产测试时要保证产品具有最小的ET值（就本文案例，这个变压器生产厂要保证每个产品的ET值都大于27.2V-?S），而变压器供应商给客户的规格书中要标明客户在使用时不能超过的一个最大的ET值（要求客户设计线路时输入到变压器的脉冲信号的E和T的乘积不超过27.2V-?S，也就是27.2V-?S Max.），这样变压器在客户使用过程中就安全可靠。

2.2 客户使用变压器时注意

从图1可以看出，这是一个单极性脉冲变压器应用，本文的ET计算是适合单极性（Unipolar）应用，如果是双极性（Bipolar）应用，那么，同一个变压器的ET容量不变的情况下，客户可以加倍使用，也就是说，例如本案例中PA0184规格书中注明最大伏秒值是27.7V-?s是适应单极性应用，如果客户用于多极性线路中，那么，这个变压器的伏秒特性容量可以加大到2×27.2=54.4（V-?s）作为最大值，而不需要更新变压器。

2.3 变压器规格书中有ET指标举例

表2是德国VAC公司相关数据表， 其中的伏秒特性表达方式为∫Udt，代表经过变压器初级到次级输出的脉冲电压在时域的积分，其物理意义是指在变压器饱和之前所能承受的最大电压和最长时间的乘积的面积，单位仍然是伏微妙（V-?s）。

绝缘栅双极型晶体管用栅极驱动变压器电磁特性：

在现代变频驱动器（VFD）中，变频级采用IGBT进行变频。相应的门驱动电路需要为开关提供必要的电源。在中高功率应用中，DC/DC转换器通常用于此目的。IGBT栅极驱动变压器是保证中间电路与低压控制侧电流安全分离的关键元件。通过使用由纳米晶VITROPERM?制成的環形芯，可以在极其紧凑的外壳中传输所需的开关电源，节省宝贵的PCB空间。先进的绝缘和绕组概念确保最高的电晕消光电压和低耦合电容。一个大的组合为典型的工作电压在500V到1200 V之间是可用的。变压器具有不同的传输比和伏秒积范围，以满足不同的应用要求。

2.4 磁芯规格书中有ET指标举例

建议国产磁芯生产厂商增加磁芯的ET值指标，有利于电子变压器行业标准化。从20世纪90年代的一个国外磁芯参考图（见图2），可以看出早期磁环规格中的伏秒特性指标：

以下测试环境温度在25℃。

（1）磁环尺寸。图中磁环的尺寸单位是英吋（外径0.157×内径0.086×厚度0.081），用毫米表达，就是（外径4.0×内径2.18×厚度2.06）。

这里的磁环尺寸包括磁环外面的帕利灵保护膜厚度0.0127mm。

（2）磁导率。锰锌材料的初始磁导率是5000（参考值）。

（3）电感因子AL。AL=1.133μH/T2，误差范围从+30%到-20%，测试条件：每圈线圈加电压0.8Vrms，频率100kHz（大约10高斯）。

（4）居里溫度TC。130℃最小（定义居里温度点的材料磁导率为初始磁导率的90%）

（5）耐压。磁耐压环外面保护层绝缘耐压750V交流AC（在磁环上下两个表面之间设置导电平板，高压测试持续时间1s）。

（6）ET值。0.34 V-?s最小/每圈，测试条件，输入信号为单极脉冲，磁环绕线10圈，输入脉冲电压2V，脉冲频率50kHz，脉宽3?s，调整脉宽或电压，使得饱和电流达到1.5倍最大线性电流时的输入电压伏与脉冲宽度秒之积。

3  结语

无论信号类变压器还是功率类变压器，不论作为第一供应商的原始设计，还是第二供应商的逆向设计，都需要关注ET积这个指标，只有这样，才能给变压器客户使用带来可靠性保证。

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