脈沖變壓器的磁學(xué)（下）

4高頻電流效應(yīng)

4．1趨膚效應(yīng)

當(dāng)導(dǎo)線流過(guò)交變電流時(shí)，在導(dǎo)線內(nèi)部將產(chǎn)生與電流方向相反的電動(dòng)勢(shì)。由于導(dǎo)線中心較導(dǎo)線表面的磁鏈大，在導(dǎo)線中心處產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就比在導(dǎo)線表面附近處產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)大。這樣作用的結(jié)果，電流在表面流動(dòng)，中心則無(wú)電流，這種由導(dǎo)線本身電流產(chǎn)生之磁場(chǎng)使導(dǎo)線電流在表面流動(dòng)，就是“趨膚效應(yīng)”。電流只在導(dǎo)線的表層流過(guò)，其表層的厚度稱為“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(shù)，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(dǎo)體材質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率，非導(dǎo)磁材料μT=1；

f—頻率，Hz；

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

由于趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線有效導(dǎo)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(dǎo)線線徑過(guò)大，等于浪費(fèi)了銅。一般，線徑不超過(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(dāng)于電流密度增加，因此銅耗顯著增大，使變壓器溫升增高。

4.2鄰近效應(yīng)

相鄰導(dǎo)線流過(guò)高頻電流時(shí)，由于磁電作用使電流偏向一邊的特性，稱為“鄰近效應(yīng)”。如相鄰二導(dǎo)線A，B流過(guò)相反電流IA和IB時(shí)，B導(dǎo)線在IA產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，使電流IB在B導(dǎo)線中靠近A導(dǎo)線的表面處流動(dòng)，而A導(dǎo)線則在IB產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，使電流IA在A導(dǎo)線中沿靠近B導(dǎo)線的表面處流動(dòng)。又如當(dāng)一些導(dǎo)線被纏繞成一層或幾層線匝時(shí)，磁動(dòng)勢(shì)隨繞組的層數(shù)線性增加，產(chǎn)生渦流，使電流集中在繞組交界面間流動(dòng)，這種現(xiàn)象就是鄰近效應(yīng)。鄰近效應(yīng)隨繞組層數(shù)增加而呈指數(shù)規(guī)律增加。因此，鄰近效應(yīng)影響遠(yuǎn)比趨膚效應(yīng)影響大。減弱鄰近效應(yīng)比減弱趨膚效應(yīng)作用大。

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

理論和實(shí)踐都說(shuō)明，設(shè)計(jì)工頻變壓器時(shí)使用的簡(jiǎn)單方法，對(duì)設(shè)計(jì)高頻變壓器不適用。在磁芯窗口允許情況下，應(yīng)盡可能使用直徑大的導(dǎo)線來(lái)繞制變壓器。在高頻應(yīng)用中常導(dǎo)致錯(cuò)誤，使用直徑太大的導(dǎo)線，則會(huì)使層數(shù)增加，疊加和彎曲次數(shù)增多，從而加大了鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)，就會(huì)使損耗增加。因此太大的線徑和太小的線徑一樣低效。顯然由于鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)緣故，繞制高頻電源變壓器用的導(dǎo)線或簿銅片有個(gè)最佳值。

5變壓器的應(yīng)用

變壓器在電氣和電子工程中被廣泛應(yīng)用，在長(zhǎng)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(hào)變壓器在長(zhǎng)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(fù)載阻抗匹配用。盡管把共模扼流圈說(shuō)成變壓器的應(yīng)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(jié)來(lái)闡述。在應(yīng)用雙股對(duì)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(hào)變壓器應(yīng)設(shè)計(jì)成允許通過(guò)信號(hào)的頻率和允許的振幅失真都在一定范圍之內(nèi)。在長(zhǎng)途通信和局域網(wǎng)（LAN）中應(yīng)用的數(shù)字電路必須予以保護(hù)，使它免受外部電源，如60Hz/120V或50Hz/230V交流電的危害，50V的電話振鈴信號(hào)和雷擊應(yīng)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(nèi)的信號(hào)提供電的聯(lián)系，但對(duì)這頻率范圍以外的信號(hào)它不起作用，局域網(wǎng)（LAN）和長(zhǎng)途通信可應(yīng)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(hào)，因?yàn)轭l率太低，所以無(wú)法通過(guò)信號(hào)變壓器的接口。當(dāng)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(jié)構(gòu)和功率定額。關(guān)鍵是原邊繞組要么在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)、要么在危害發(fā)生之前允許的時(shí)間間隔內(nèi)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(dá)到保護(hù)的目的。

5.2作為阻抗匹配用

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

源和負(fù)載的匹配阻抗表示為：

ZIN=ZSOURCE

從2.13節(jié)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(hào)的變換和隔離，說(shuō)得確切一些，即它對(duì)加于其上的共模信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗，允許差模信號(hào)不受阻礙地通過(guò)。

當(dāng)共模電壓加于輸入端的扼流圈如圖18所示，圖中的基準(zhǔn)電平是任意的。加在每一條線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(zhǔn)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(dāng)于串聯(lián)的感抗，它的大小取決于信號(hào)頻率和線圈的參數(shù)（如磁心截面和磁導(dǎo)率等）。

當(dāng)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(fù)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(duì)差模信號(hào)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(yīng)，對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)無(wú)限大的阻抗，對(duì)差模信號(hào)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(yīng)，除了對(duì)差模信號(hào)有不等于零的阻抗外，它的頻率響應(yīng)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(cè)試

測(cè)量圖16所示變壓器等效電路參數(shù)，通常是為了驗(yàn)證要求的計(jì)算值。兩種簡(jiǎn)單的測(cè)試能確定導(dǎo)出的參數(shù)。

6.1開(kāi)路測(cè)試

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

變壓器額定電壓常加在原邊線圈端子上。副邊線圈開(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(cè)試