脈沖變壓器的磁學(xué)

摘要:詳細闡述脈沖變壓器的應用及高頻脈沖變壓器設計所需了解的磁學(xué)參數、變壓器的綜合等效電路和變壓器的測試方法。

Abstract: This paper explains in details the application of pulse transformer, the magnetic parameters to be learnt before designing high frequency pulse transformer, the integrated equivalent circuit of transformer and the measurement of transformer.

關(guān)鍵詞:脈沖變壓器磁學(xué)頻率響應特性

Keywords: Pulse transformer， Magnetics， Frequency response characteristics

1引言

　　變壓器通常有電源變壓器和信號變壓器兩大類(lèi)。

　　磁性元件是電源開(kāi)關(guān)變換器和信號變壓器中的必備元件。由于磁材料特性的非線(xiàn)性，其特性對溫度、頻率、氣隙的依賴(lài)性使得磁材料參數測量較為困難，因此在進(jìn)行磁元件設計時(shí)，需要對磁元件的參數、一般特性和設計方法有一定的了解。首先，本文的主要部分敘述變壓器磁學(xué)的基本理論和磁學(xué)定理、參數的含義和解釋。其次，敘及變壓器的性能模型和等效電路，對變壓器的各種參數和術(shù)語(yǔ)進(jìn)行解釋。還對設計高頻開(kāi)關(guān)電源時(shí)遇到的高頻電流效應問(wèn)題作一簡(jiǎn)介，最后對變壓器測試時(shí)所用到的變壓器等效電路參數的測量方法作一些敘述。

　　為了領(lǐng)會(huì )實(shí)際變壓器在應用時(shí)的性能，在純電阻負載的情況下，用變壓器寬帶信號的頻域響應特性，推導出實(shí)用的一般等效電路模型。

　　時(shí)域響應特性曲線(xiàn)最能說(shuō)明等效電路參數對加在其上脈沖波形的上升沿、峰值和下降沿的影響。對采用高重復率數字脈沖信號的局域網(wǎng)（LAN）和長(cháng)途通信來(lái)說(shuō)，變壓器對這種脈沖信號的響應是應特別重視的。

2變壓器磁學(xué)的基本原理

2.1法拉弟定律

　　電和磁相互之間有著(zhù)緊密的聯(lián)系。磁場(chǎng)是電荷（電流）運動(dòng)的結果。反之，如果把一根導體放在隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)里，在導體上就會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢(emf)。法拉弟定律指出這個(gè)感應電動(dòng)勢是和磁通量的變化率成正比的。

e=－dψ/dt=－NdΦ/dt(1)

式中e—感應電動(dòng)勢（單位：V）

N—繞組匝數

t—時(shí)間（單位：s）

Φ—磁通量（單位：Wb）

ψ—磁鏈（單位：Wb）

　　理想變壓器就是按照法拉弟定律把加在輸入繞組的電能通過(guò)磁場(chǎng)傳遞給輸出繞組。

2.2理想變壓器

　　原邊和副邊繞阻的匝比為1:n的簡(jiǎn)化變壓器如圖1所示。

圖1理想變壓器

　　在變壓器原邊加一隨時(shí)間變化的電壓u1，它會(huì )產(chǎn)生一個(gè)流過(guò)原邊繞組的電流i1。這個(gè)電流就會(huì )在磁心中產(chǎn)生一個(gè)磁通Φ，假設Φ全部通過(guò)磁心并全部通過(guò)副邊繞組。則磁心中的磁通Φ就會(huì )在變壓器副邊繞組感應出一個(gè)電壓u2和電流i2。

　　上述關(guān)系可用式（1）表示為：

u1=－N1dΦ/dt和u2=－N2dΦ/dt(2)

因此U1/U2=N1/N2=1/n

2.3磁通密度

　　在圖1所示的理想變壓器中，磁通Φ全部通過(guò)

圖2電流與磁場(chǎng)

磁心，如磁心的橫截面積為A，則磁心內部的磁通密度定義為：

B=Φ/A(Wb/m2)(3)

2.4磁場(chǎng)強度

　　安培定律指出：(A)（4）

即在一個(gè)閉合磁路中，各段磁通路徑長(cháng)度li和相應磁場(chǎng)強度Hi乘積的總和等于施加的安匝數NI。

　　對于一個(gè)理想的磁路，即磁路中各點(diǎn)的磁場(chǎng)強度是一常數時(shí)，則NI=Hl，因此

H=NI/l(A/m)(5)

2.5材料的磁導率

　　磁感應強度（B）是磁場(chǎng)強度（H）的函數。它們之間的關(guān)系是：

B=μH（6）

式中μ—磁導率（單位：H/m）