脈沖變壓器的磁學(xué)

摘要:詳細(xì)闡述脈沖變壓器的應(yīng)用及高頻脈沖變壓器設(shè)計(jì)所需了解的磁學(xué)參數(shù)、變壓器的綜合等效電路和變壓器的測(cè)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(yīng)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(hào)變壓器兩大類。

　　磁性元件是電源開關(guān)變換器和信號(hào)變壓器中的必備元件。由于磁材料特性的非線性，其特性對(duì)溫度、頻率、氣隙的依賴性使得磁材料參數(shù)測(cè)量較為困難，因此在進(jìn)行磁元件設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)磁元件的參數(shù)、一般特性和設(shè)計(jì)方法有一定的了解。首先，本文的主要部分?jǐn)⑹鲎儔浩鞔艑W(xué)的基本理論和磁學(xué)定理、參數(shù)的含義和解釋。其次，敘及變壓器的性能模型和等效電路，對(duì)變壓器的各種參數(shù)和術(shù)語進(jìn)行解釋。還對(duì)設(shè)計(jì)高頻開關(guān)電源時(shí)遇到的高頻電流效應(yīng)問題作一簡(jiǎn)介，最后對(duì)變壓器測(cè)試時(shí)所用到的變壓器等效電路參數(shù)的測(cè)量方法作一些敘述。

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

　　時(shí)域響應(yīng)特性曲線最能說明等效電路參數(shù)對(duì)加在其上脈沖波形的上升沿、峰值和下降沿的影響。對(duì)采用高重復(fù)率數(shù)字脈沖信號(hào)的局域網(wǎng)（LAN）和長(zhǎng)途通信來說，變壓器對(duì)這種脈沖信號(hào)的響應(yīng)是應(yīng)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緊密的聯(lián)系。磁場(chǎng)是電荷（電流）運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。反之，如果把一根導(dǎo)體放在隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)里，在導(dǎo)體上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(emf)。法拉弟定律指出這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是和磁通量的變化率成正比的。

e=－dψ/dt=－NdΦ/dt(1)

式中e—感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（單位：V）

N—繞組匝數(shù)

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(shè)Φ全部通過磁心并全部通過副邊繞組。則磁心中的磁通Φ就會(huì)在變壓器副邊繞組感應(yīng)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

圖2電流與磁場(chǎng)

磁心，如磁心的橫截面積為A，則磁心內(nèi)部的磁通密度定義為：

B=Φ/A(Wb/m2)(3)

2.4磁場(chǎng)強(qiáng)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(zhǎng)度li和相應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度Hi乘積的總和等于施加的安匝數(shù)NI。

　　對(duì)于一個(gè)理想的磁路，即磁路中各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是一常數(shù)時(shí)，則NI=Hl，因此

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

2.5材料的磁導(dǎo)率

　　磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）是磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）的函數(shù)。它們之間的關(guān)系是：

B=μH（6）

式中μ—磁導(dǎo)率（單位：H/m）