脈沖變壓器的磁學(xué)（下）

4高頻電流效應

4．1趨膚效應

當導線(xiàn)流過(guò)交變電流時(shí)，在導線(xiàn)內部將產(chǎn)生與電流方向相反的電動(dòng)勢。由于導線(xiàn)中心較導線(xiàn)表面的磁鏈大，在導線(xiàn)中心處產(chǎn)生的電動(dòng)勢就比在導線(xiàn)表面附近處產(chǎn)生的電動(dòng)勢大。這樣作用的結果，電流在表面流動(dòng)，中心則無(wú)電流，這種由導線(xiàn)本身電流產(chǎn)生之磁場(chǎng)使導線(xiàn)電流在表面流動(dòng)，就是“趨膚效應”。電流只在導線(xiàn)的表層流過(guò)，其表層的厚度稱(chēng)為“穿透厚度或趨膚深度△”，它和工作頻率的平方根成反比。穿透厚度△可表示為：（21）

式中△——穿透厚度，mmK=，材料常數，銅在20℃時(shí),K=1；

ρ—工作溫度時(shí)的電阻率，Ω/cm；

ρC—銅在20℃時(shí)的電阻率=1.724×10－6，

Ω/cm；

μT—導體材質(zhì)相對磁導率，非導磁材料μT=1；

f—頻率，Hz；

km—與物質(zhì)和溫度有關(guān)的常數（例如銅：100℃時(shí)，km=75,20℃時(shí)km=65.5）

由于趨膚效應使導線(xiàn)有效導電面積減小，電流密度有所提高，引起銅耗增加，效率下降。因此工作于高頻的變壓器就需考慮這一影響。在高頻變壓器中的單根導線(xiàn)線(xiàn)徑過(guò)大，等于浪費了銅。一般，線(xiàn)徑不超過(guò)穿透厚度的2到3倍為宜。由式（21）可知，頻率增加，穿透厚度減小。在保持電流不變的情況下，相當于電流密度增加，因此銅耗顯著(zhù)增大，使變壓器溫升增高。

4.2鄰近效應

相鄰導線(xiàn)流過(guò)高頻電流時(shí)，由于磁電作用使電流偏向一邊的特性，稱(chēng)為“鄰近效應”。如相鄰二導線(xiàn)A，B流過(guò)相反電流IA和IB時(shí)，B導線(xiàn)在IA產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，使電流IB在B導線(xiàn)中靠近A導線(xiàn)的表面處流動(dòng)，而A導線(xiàn)則在IB產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，使電流IA在A(yíng)導線(xiàn)中沿靠近B導線(xiàn)的表面處流動(dòng)。又如當一些導線(xiàn)被纏繞成一層或幾層線(xiàn)匝時(shí)，磁動(dòng)勢隨繞組的層數線(xiàn)性增加，產(chǎn)生渦流，使電流集中在繞組交界面間流動(dòng)，這種現象就是鄰近效應。鄰近效應隨繞組層數增加而呈指數規律增加。因此，鄰近效應影響遠比趨膚效應影響大。減弱鄰近效應比減弱趨膚效應作用大。

由于磁動(dòng)勢最大的地方，鄰近效應最明顯。如果能減小最大磁動(dòng)勢，就能相應減小鄰近效應。所以合理布置原副邊繞組，就能減小最大磁動(dòng)勢，從而減小鄰近效應的影響。

理論和實(shí)踐都說(shuō)明，設計工頻變壓器時(shí)使用的簡(jiǎn)單方法，對設計高頻變壓器不適用。在磁芯窗口允許情況下，應盡可能使用直徑大的導線(xiàn)來(lái)繞制變壓器。在高頻應用中常導致錯誤，使用直徑太大的導線(xiàn)，則會(huì )使層數增加，疊加和彎曲次數增多，從而加大了鄰近效應和趨膚效應，就會(huì )使損耗增加。因此太大的線(xiàn)徑和太小的線(xiàn)徑一樣低效。顯然由于鄰近效應和趨膚效應緣故，繞制高頻電源變壓器用的導線(xiàn)或簿銅片有個(gè)最佳值。

5變壓器的應用

變壓器在電氣和電子工程中被廣泛應用，在長(cháng)途通信和局域網(wǎng)（LAN）中主要用作高頻開(kāi)關(guān)電源的電源變壓器。

信號變壓器在長(cháng)途通信和局域網(wǎng)（LAN）中的兩個(gè)主要用途：作為隔離元件用和作為負載阻抗匹配用。盡管把共模扼流圈說(shuō)成變壓器的應用不是很精確，但共模扼流圈和變壓器的工作狀態(tài)有關(guān)系，所以在本文中還是把它們放在這一節來(lái)闡述。在應用雙股對絞電纜的通信和局域網(wǎng)（LAN）中廣泛采用扼流圈來(lái)抑制噪聲。

5.1變壓器作為隔離元件用

信號變壓器應設計成允許通過(guò)信號的頻率和允許的振幅失真都在一定范圍之內。在長(cháng)途通信和局域網(wǎng)（LAN）中應用的數字電路必須予以保護，使它免受外部電源，如60Hz/120V或50Hz/230V交流電的危害，50V的電話(huà)振鈴信號和雷擊應盡可能地接到外

圖17變壓器作為阻抗匹配用

圖18具有共模輸入的扼流圈

接口上。在輸出電路和接口之間放一個(gè)變壓器可為變壓器工作頻率范圍內的信號提供電的聯(lián)系，但對這頻率范圍以外的信號它不起作用，局域網(wǎng)（LAN）和長(cháng)途通信可應用的工作頻率范圍可以是10kHz和100MHz之間任何頻率（一般來(lái)說(shuō)是這樣）。

頻率為50Hz/60Hz的高壓源信號，因為頻率太低，所以無(wú)法通過(guò)信號變壓器的接口。當然變壓器的副邊繞組會(huì )不會(huì )受到施加電源電壓的危害取決于變壓器的結構和功率定額。關(guān)鍵是原邊繞組要么在長(cháng)時(shí)期內、要么在危害發(fā)生之前允許的時(shí)間間隔內保持不受影響。

在雷擊的情況下，變壓器的副邊繞組通常會(huì )損壞，但只要與原邊隔離，就能達到保護的目的。

5.2作為阻抗匹配用

在2.13節中已提到負載阻抗從變壓器的副邊轉換到原邊，只要在阻抗上乘以1/n2的系數即可。變壓器的這一特性，使變壓器能用于對不同源和負載阻抗進(jìn)行匹配。

源和負載的匹配阻抗表示為：

ZIN=ZSOURCE

從2.13節中我們知道等效阻抗是接在原邊的兩端（等于ZIN）。

ZIN=ZLOAD／n2

因此，輸入和輸出如匹配，則：（22）

5.3共模扼流圈

共模扼流圈工作和變壓器相似，它也是用繞在同一磁心上的不同線(xiàn)圈來(lái)產(chǎn)生磁的耦合。它和變壓器不同之處在于它不是用作信號的變換和隔離，說(shuō)得確切一些，即它對加于其上的共模信號呈現高阻抗，允許差模信號不受阻礙地通過(guò)。

當共模電壓加于輸入端的扼流圈如圖18所示，圖中的基準電平是任意的。加在每一條線(xiàn)上的電流和電壓是相等的（電流的返回通道沒(méi)有畫(huà)出，但實(shí)際上，它通常是通過(guò)寄生電容返回到基準電平上）。

繞在同一磁心上兩個(gè)繞組的匝比是1：1，在理想情況下，所有磁通都是相互耦合的（和理想變壓器一樣）。在同一方向流動(dòng)的兩個(gè)共模電流，產(chǎn)生相位相同的磁通。它們產(chǎn)生的影響就相當于串聯(lián)的感抗，它的大小取決于信號頻率和線(xiàn)圈的參數（如磁心截面和磁導率等）。

當差模電壓加于輸入端的扼流圈如圖19所示，總的合成電流流過(guò)負載通過(guò)扼流圈返回。在扼流圈中流過(guò)相反方向的電流磁通相互抵消。扼流圈對差模信號實(shí)際上是“覺(jué)察不出的”。

上面敘述的完美扼流圈具有無(wú)限寬的頻率響應，對共模信號呈現無(wú)限大的阻抗，對差模信號阻抗為零。實(shí)際的扼流圈和變壓器一樣除有繞組電阻外還有漏電感、分布電容和磁心損耗。它產(chǎn)生的效應，除了對差模信號有不等于零的阻抗外，它的頻率響應也是有限的、共模阻抗也是有限的。

一般來(lái)說(shuō)，共模扼流圈的工作頻率與它的共模電感成反比。

6變壓器的測試

測量圖16所示變壓器等效電路參數，通常是為了驗證要求的計算值。兩種簡(jiǎn)單的測試能確定導出的參數。

6.1開(kāi)路測試

這種測試通常是在低頻下進(jìn)行的，所以變壓器的電容項可以忽略。這種測試電路如圖20所示。

變壓器額定電壓常加在原邊線(xiàn)圈端子上。副邊線(xiàn)圈開(kāi)路，所以副邊沒(méi)有電流流動(dòng)、副邊沒(méi)有漏電

圖19具有差模輸入的扼流圈

圖20開(kāi)路測試