高频开关电源变压器的动态测试
（JP2581B＋JP619B材料功耗测量系统应用笔记之一）

1 引 言
目前，对高频开关电源变压器电磁参数‘测试’大约使用两种方法：一种是用LCR表测量一些基本电磁参数，例如，开关电源变压器初次级电感、漏感、分布电容、绕组直流电阻以及匝比、相位等，我们称这种测试方法为’静态’测试；一种是将开关电源变压器放到主机上考核其工作情况，对已经定型生产的开关电源变压器，为考核外购磁芯质量，通过测量变压器工作温升判断磁芯的损耗比较直观简便。前一种方法因在弱场、低频低磁感应强度（例如Bm<0.25mT、f=1kHz）下测量，由于磁性材料特性的非线性、不可逆和对温度敏感，其在强场下工作与在弱场情况下工作电磁特性有很大不同。弱场下测量结果不能反映磁性器件工作在强场下的情况；后一种方法虽随主机在强场下应用，但不能得到被测器件电磁参数。磁芯损耗需要专用仪器才能测量。
高频开关电源变压器的上述测试分析现状影响了此类器件的开发和生产。
需要开发一种仪器或测试系统，这种测试系统能够模拟实际工作条件，完成对高频开关电源变压器主要电磁参数分析，例如，各种负载（包括满载和空载）情况下变压器初级复数阻抗z、有效初级电感L，通过功率Pth、 功率损耗PT、传输效率η以及在指定频率下磁芯的传输功率密度等，我们称这种模拟实际工作条件的测试为‘动态’测试。作为磁性器件综合测试系统，还要求具有对磁芯材料功率损耗分析功能。在电磁机器进一步小型化、高频化和采用高密度组装情况下对器件进行‘动态’分析，对加速象高频开关电源之类的电磁器件开发、提高器件质量显得特别重要。
2 测试系统简介
JP2581B＋JP619B材料功耗及器件功率测量系统是一种交流电压、电流和功率精密测量装置。其主要测量功能、指标和测量精度非常适用于磁性材料和磁性器件（例如，开关电源变压器）研究开发和磁芯产品快速检测。该系统配套完整，自成体系，无需用户增加额外投资，系统主要测试功能如下：
1、软磁材料及器件交流功率损耗（总功耗PL ， 质量比功耗 Pcm ， 体积比功耗 Pcv）测量;
2、磁性材料振幅磁导率μa测量;
3、磁芯（有效）振幅磁导率(μa)e测量; 磁芯因素(AL)e.测量
以上测量均符合IEC367--1（或GB9632--88）标准中推荐的测量方法。
4、电感、电容及组成器件（例如，开关电源变压器）等效电磁参数的动态测量和分析;
5、由测量结果分析器件下列参数：
z |z| Ls Rs Lp Rp C Q D。
测试系统具有如下使用、操作特点：
□ 多功能、多参数、宽量程；数字显示，直接读数，读数分辩率达0.1%；
工作频率范围：1-550kHz，电压范围：4-200V，电流范围：20-2000mA，功率测量范围：0.1-200W。
□ 对材料功率损耗作绝对值测量，与其它测量方法（如电桥法）比较，无须标准器具；
□ 测量材料功耗的同时可读取电压、电流真有效值，测量精度与波形失真无关（颠值因数≈10）；
□ 操作简单，测量快捷；对于材料测量，完成一次测量仅需要5---10秒钟，避免试样温升引起的测量误差；对于器件测量，可以同时取得电流、电压、功率数据，用于复数阻抗分析和被测器件等效参数计算；
□ 具有无功电流补偿功能。JP2581B的一个优点是具有负载无功电流补偿功能。因此，用于大试样测量时（如EC54磁芯及变压器），可以明显改善功率源输出状况，提高系统测试能力和工作可靠性，也为保证B正弦提供了可能。
□ 该测试系统具有独特的多种磁化波形测试能力，不但可以在正弦波下完成符合国家（或国际）测试标准要求的测试，而且提供了方波、三角波磁化测试能力，用于磁性器件动态测试与分析。
JP2581B＋JP619B材料功耗及器件功率测量系统采用乘法器工作原理，符合 IEC367-1和GB9632-88推荐的测试方法。仪器的设计原则是，提供足够的测试功能和可靠性。事实上，该仪器对频率、功率极宽的测量范围和对失真波形的处理能力，使它适用于不同材料（如软磁铁氧体、非晶、纳米材料和铁粉芯材料等）及器件（如开关电源变压器、电感器）在不同应用状态下功率损耗和阻抗特性等多种电磁参数动态测量。
3 测试原理
3．1磁芯电感器件及其复阻抗
磁芯加上线圈绕组就构成一个电感器或扼流圈，如再加上一个或几个次级绕组则成变压器，用于反激式单端变换器的功率传输器件因磁路开有气隙，则称为变压器-扼流圈或储能变压器，它们统称为磁性器件，磁性器件多用串联等效电路表示如图1：

图中，LS为器件串联电感，代表器件储能部分；r为器件串联等效电阻，表示损耗部分。 磁芯线圈串联等效电路复阻抗为z=r+jωLS。
在电工学中，复阻抗各部分之间有如下关系：

上述关系可用图2所示复平面图表示（直角坐标）。
3．2 磁性器件复阻抗测量原理
对于高频开关变压器或电感器，从理论上可以通过测量器件有功功率和视在功率得到被测器件端电压和通过电流之间的相位角。有了被测器件端电压和通过电流值以及它们之间的相位角，就可计算出磁性器件复数阻抗，这是该仪器设计的基本思路。
3．2．1仪器工作原理
该仪器从定义出发将电流电压瞬时值相乘，采用模拟变换和数字控制技术完成被测器件电流、电压真有效值和有功功率测量。仪器工作核心是一个高（宽）频乘法器，如图3所示。

设，磁芯线圈两端电压为u，通过电流为i，则磁芯线圈消耗功率（有功功率）由下式表示：

U、I ----电压、电流有效值， U I=S， S为磁芯线圈的视在功率，
cos-----功率因数
相位角为
3．2．2 磁性器件复数阻抗及分量计算
电工学中，常用如图4所示功率三角形表示有功功率、无功功率与视在功率之间的关系。

由功率三角形可以得到下列关系：

根据以上关系由下面各式可以计算磁性器件复数阻抗及各分量：
1）被测器件阻抗幅值|Z|=U/I;
2）功率因数
式中，U、I、P有功为电压电流真有效值和有功功率。
3）复数阻抗z=r+jxL
=|Z|( cos +jsin )
r =|Z|cos， xL =|Z|sin ；
4）串联等效电感：Ls=xL/2πf；
5）器件Q值和损耗D：Q=tan =xL/r=2πfLS/r
D=1/Q。
因此，只要测出器件电流电压有效值I 、U和有功功率P有功，代入以上各式就能得到被测材料和器件的各项电磁参数。实现高（宽）频高场（大信号）工作条件下对材料和器件电磁参数的动态分析。
4 测试系统及连接
测试系统由JP2581数字式宽频功率测量仪和JP619 宽频功率函数发生器构成。连接十分简单，连接示意图如下：

5 测试应用举例
下面举五个实际测量例子说明JP2581B＋JP619B测试系统功能和使用方法。
实例1 磁性材料损耗特性PCV测试
实例2 高频开关变压器磁芯总功率损耗测量
实例3 材料振幅磁导率μa和磁芯（有效）振幅磁导率 (μa)e 测量
实例4 用于推挽或桥式逆变器中的变压器动态测试与分析
实例5 用于单端反激式变换器开关变压器的动态测试与分析
前三例作为基础，是高频开关变压器用磁芯和材料测试；接着介绍用于双端和单端逆变电路中两种不同工作方式的高频开关变压器电磁特性动态测试和分析。
实例1 磁性材料损耗特性PCV测试
磁性材料损耗特性测试，按国家测试标准规定必须采用环形式样。
被测样品：材料：TP3（浙江天通电子公司生产，相当于日本TDK公司PC30材料）
样环尺寸：20.1×13.3×6.13mm ， N=20 Ts (N---匝数）
磁性常数：C1=2.5mm-1 ， C2=0.1mm-3
有效参数：Ae=20.5mm2 ， le=51.0mm ， Ve=1048.0mm3
测量条件：f=100kHz， Bm=200mT， T=15℃
按图5连接测试系统，
测试电压计算：U=4.44fBmAeN =38.18V。
系统设置：电压范围：置100V挡
电流范围：置100mA挡
加测试电压U=38.18V，将功能控制器置电压、电流、功率挡分别读取U、I、P有功值。
测量结果：

注意：测量时尽量在5秒内读取功率数据，避免材料温升影响。
实例2 高频开关变压器磁芯总功率损耗测量：
用于测量磁芯的总功耗、比功耗，例如，磁芯生产产品批量检测和外购开关变压器磁芯入库检验。
被测样品：ETD49，材料：TP3（浙江天通电子公司生产，相当于日本TDK PC30）
磁性常数：C1=0.5mm-1 ， C2=0.01mm-3
有效参数：Ae=216.2mm2 ， le=112.2mm ， Ve=24262.4mm3
测量条件：f=100kHz， Bm=200mT， N= 9 Ts (N---匝数)， Ta=31℃
测试电压计算：U=4.44fBmAeN =168.6 V。
仪器设置：U：200V
I：1000mA
使U、I处于仪器规定的校准范围内。
加工作电压U=168.6V读数：

实例3 材料振幅磁导率μa和磁芯（有效）振幅磁导率 (μa)e 测量
材料振幅磁导率μa、磁芯（有效）振幅磁导率 (μa)e 测量与功率损耗测试可以同时完成。
以磁芯ETD49为例，使用实例2测试结果：
U =U显示=168.6V，I= I显示/2=560mA
计算磁芯（有效）振幅磁导率 (μa)e：
(μa)e=Bm/μ0Hm =2513。
计算过程中使用了如下关系
Bm=U/4.44fAeN=0.2T
Hm=1.41NI/ le =62.88A/m
μ0=0.4π×10-6
le=11.22cm=0.1122m ， Ae=216.2mm2。
用同样方法可测试材料振幅磁导率μa，但一定要使用样环测试（按测试标准规定）。
实例4 用于推挽或桥式逆变器中的变压器动态测试与分析
在推挽或桥式（全桥、半桥）逆变器研究开发和生产中，需要全面了解实际工作条件下高频开关电源变压器主要电磁参数，例如，各种负载（包括满载和空载）情况下初级复数阻抗z，初级有效电感LP，变压器通过功率Pth、功率损耗PT、 传输效率η、热阻Rth、温升ΔT以及在指定频率下磁芯的传输功率密度DP等。测试系统可以完成所有上述参数动态测试而且测量、分析计算也并不复杂。
高频开关电源变压器（或其他磁性器件）电磁参数动态测试方法与磁芯损耗测量方法和操作步骤相同。测试步骤和分析方法如下：
1）被测高频开关电源变压器设计参数
工作频率f=500kHz，磁通密度Bm≤50mT，
磁芯：EFD20（材料浙江天通公司TP4），
磁芯常数、等效尺寸：C1=1.52mm-1， Ae=31mm2， le=47mm， Ve=1460mm3 ，
初级绕组NP=105Ts。
满载功率为20W.，变压器结构如图6所示：

2）测量条件：U=171V（Bm<50mT）， f=500kHz， Pth=20w (RL=0.85Ω)
在测试过程中，用点温计测量变压器的温升。
3）测量结果：

4）分析和计算电磁参数
根据以上所测数据，可以计算高频开关变压器在实际工作条件下的初级复数阻抗z(初级电感LP、有效电阻值r)、功率损耗PT、通过功率Pth、传输效率η、EFD20磁芯功率密度DP（f=500 kHz）并通过温升计算热阻Rth等。
计算方法和结果如下：
阻抗幅值：|Z|=U/I; =171.0/0.148=1155.4(Ω)
功率因数：cos=P/IU=0.755，= cos-1 P/IU=41°;
式中，U、I、P为电压电流真有效值和功率读数。
初级复阻抗：z=r+jxL
=|Z|(cos+jsin)
r=|Z|cos=872Ω， xL =|Z|sin=758Ω
z=z=r+jxL=872Ω+j758Ω，
功率验证：与测量结果吻合。
初级有效电感：Lp=xL/2πf=240μH; 有载Q值：
热阻计算：

此时，热阻与实测热阻(Rth=32 k/w)基本吻合。变压器的工作温度约90℃，符合TP4材料最低功耗温度要求 （TP4材料最低功耗温度为90--100℃）。
通过功率：Pth= 19.1W
输出功率：P0=(3.93)2 /0.85=18.2(W)
传输效率h=( Pth-PT) / Pth= 18.2 /19.1=0.95
磁芯传输功率密度：EFD20磁芯在频率为500kHz时传输功率密度为
DP=Pth/Ve=19.1/1.46=13(W/cm3)。(Philips公司数据为DF=14W/cm3)。
实例5 用于单端反激式逆变器开关变压器的动态测试与分析
用于单端反激式变换器开关电源变压器磁路开有气隙，作为储能电感可以次级开路（不接负载）测试。需要测试如下电磁参数：
初级复数阻抗z、有效电感LL、有效电阻r；工作电流峰值IP；功率转换能力（储能特性E.S）；功率转换效率等η。
下面以EFD20变压器-扼流圈（储能变压器）为例说明这类器件的测试分析方法。
1）被测开关变压器设计参数
工作频率f=500kHz，磁通密度Bm≤50mT，
磁芯：EFD20（材料TP4）；磁芯常数、等效尺寸：C1=1.52mm-1； Ae=31mm2，le=47mm，Ve=1460mm3，NP=121Ts，气隙长度lg=1.3mm。
用于单端反激式变换器，满载功率为20W.，变压器结构同图7。

2）测量条件：f=500kHz， U=173V。
3）测量结果：实测数据见下表

4）电磁参数计算和结果分析
变压器初级复数阻抗

初级复数阻抗：
z=r+jxL=|Z|(cos+jsin)；r=|Z|cos=55.9Ω，xL=|Z|sin=2287
初级有效电感：LP=xL/2πf=728μH与HP4284A测试结果基本相同( HP4284A测量值为LP=691μH，f=500kHz，v=2.0V)。这是可以理解的，因为，开隙后磁芯磁化特性接近线性。
初级电感流过的峰值电流：IP=I/0.4=75.6mA/0.4=189mA(按公式I有效=占空比δ=0.5计算)。
以上数据是在测试电压为173V下测试结果，如果初级电压有效值为310V，
则 IP=（310/173）×189 mA=338.7mA（磁芯有气隙，可以认为磁化特性是线性的）。
变压器储能特性：

转换功率：Pth=E.S×f=41.70μJ×500×103 =20.8(W)

您可以利用该测试系统提供的方波（或三角波）磁化能力，用方波测量器件功耗，这更符合高频开关变压器实际应用情况。方波含有丰富的谐波成分，会对功耗产生影响。
6 测量系统误差
为了对测量系统的测量误差进行评价，下面进行简要分析。
我们将会看到，系统测量误差与被测器件有效Q值有关。对于实际工作条件下的高频开关电源变压器，由于满载工作，有效Q值小，因而可以获得较好的测试精度。
按照定义，加于被测试样上的交流电压与流过试样电流瞬时值的乘积在交流一周内的平均值即为被测试样的功率损耗。
设器件复数阻抗为z=r+jwL， 通过它的电流为
i=Imsin ωt (1)
则被测试样两端电压可以表示为
u= z×i
=Im(r)sinωt+Im(ωL)cosωt (2)
因电流电压通道固有延时引起通道相位差为θ，按定义将（1）、（2）式代入并经简化得
P=u×i=1/2Im2rcosθ+1/2Im2ωLsinθ
设θ《1，并以有效值表示得
(3)
式中，Q=ωLS/r，为被测试样有效Q值；θ---通道之间的附加相位差。
显然，对于容性试样，P有功=U2G[1+Q θ]；
对于纯阻试样，P有功=I2r 或P有功=U2/r (Q=0)。
式（3）中，I2 (r) Qθ为误差项，是由通道相位频率特性变化引起的功率误差，称为相位附加误差，表示为：
ΔPθ/P = Qθ。
测试系统总误差由下式计算
（4）
例如，在测试频率范围内电流、电压测试误差为±2%，若最大附加相位移θ＝0.0075rad，设被测试样Q=3（如磁性材料试样），按式（4）计算功率测量误差：ΔPθ/P=3.61%。
其中包括附加相位误差 ΔPθ/P=Qθ＝2.25%。
为了说明测试系统附加相位移对材料（器件）功率测量误差的影响，下面给出一组功率测量百分误差与系统特性、试样Q值关系曲线供磁性测试人员评价测试系统、分析测试结果时参考。
测试系统误差可以通过修正的办法在一定程度上减小，但无法消除。这项工作可以由用户单位资深测试工程师来做，不具备条件的可以向仪器供应商求助。磁性测试系统属于专用测试仪器，牵涉到的技术细节较多，仪器制造（供应）商技术支持及产品服务部门一般会提供测试方法咨询和测试系统应用服务的。
7 小 结
虽然，JP2581B＋JP619B材料功耗及器件功率测量系统是专为磁性材料功率损耗快速测试设计的，由于该系统是一种测量条件可以模拟实际应用的磁性器件’矢量’分析仪器，因而可以用作功率电磁器件复数阻抗动态分析。 测试实例说明，对于多数功率磁性器件，系统测试精度优于3%，操作快速、十分简便。
除正弦波外该测试系统还特别提供了方波和三角波测试能力，为磁性材料和磁性器件多种波形动态测试创造了条件。为保证B正弦，测试系统专门增设了电流补偿功能。
系统的测量原理是经典的。因此，可用于与复数阻抗有关的其它器件参数测量，例如，电子镇流器负载特性分析和空载（启动）频率以及有载（工作）频率变化的动态测量。
本文是笔者在磁性材料测试和磁性器件开发、应用研究中使用该测试系统的一点心得，仅供参考，欢迎批评指正。 ■

参考文献：
1、邓德刚等：高频开关电源变压器的研究《全国高新磁性产品生产工艺技术及设备、仪器、原材料研讨会文集》 2000年9月