脉冲变压器的磁学

摘要:详细阐述脉冲变压器的应用及高频脉冲变压器设计所需了解的磁学参数、变压器的综合等效电路和变压器的测试方法。

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.

关键词:脉冲变压器磁学频率响应特性

Keywords: Pulse transformer， Magnetics， Frequency response characteristics

1引言

　　变压器通常有电源变压器和信号变压器两大类。

　　磁性元件是电源开关变换器和信号变压器中的必备元件。由于磁材料特性的非线性，其特性对温度、频率、气隙的依赖性使得磁材料参数测量较为困难，因此在进行磁元件设计时，需要对磁元件的参数、一般特性和设计方法有一定的了解。首先，本文的主要部分叙述变压器磁学的基本理论和磁学定理、参数的含义和解释。其次，叙及变压器的性能模型和等效电路，对变压器的各种参数和术语进行解释。还对设计高频开关电源时遇到的高频电流效应问题作一简介，最后对变压器测试时所用到的变压器等效电路参数的测量方法作一些叙述。

　　为了领会实际变压器在应用时的性能，在纯电阻负载的情况下，用变压器宽带信号的频域响应特性，推导出实用的一般等效电路模型。

　　时域响应特性曲线最能说明等效电路参数对加在其上脉冲波形的上升沿、峰值和下降沿的影响。对采用高重复率数字脉冲信号的局域网（LAN）和长途通信来说，变压器对这种脉冲信号的响应是应特别重视的。

2变压器磁学的基本原理

2.1法拉弟定律

　　电和磁相互之间有着紧密的联系。磁场是电荷（电流）运动的结果。反之，如果把一根导体放在随时间变化的磁场里，在导体上就会产生感应电动势(emf)。法拉弟定律指出这个感应电动势是和磁通量的变化率成正比的。

e=－dψ/dt=－NdΦ/dt(1)

式中e—感应电动势（单位：V）

N—绕组匝数

t—时间（单位：s）

Φ—磁通量（单位：Wb）

ψ—磁链（单位：Wb）

　　理想变压器就是按照法拉弟定律把加在输入绕组的电能通过磁场传递给输出绕组。

2.2理想变压器

　　原边和副边绕阻的匝比为1:n的简化变压器如图1所示。

图1理想变压器

　　在变压器原边加一随时间变化的电压u1，它会产生一个流过原边绕组的电流i1。这个电流就会在磁心中产生一个磁通Φ，假设Φ全部通过磁心并全部通过副边绕组。则磁心中的磁通Φ就会在变压器副边绕组感应出一个电压u2和电流i2。

　　上述关系可用式（1）表示为：

u1=－N1dΦ/dt和u2=－N2dΦ/dt(2)

因此U1/U2=N1/N2=1/n

2.3磁通密度

　　在图1所示的理想变压器中，磁通Φ全部通过

图2电流与磁场

磁心，如磁心的横截面积为A，则磁心内部的磁通密度定义为：

B=Φ/A(Wb/m2)(3)

2.4磁场强度

　　安培定律指出：(A)（4）

即在一个闭合磁路中，各段磁通路径长度li和相应磁场强度Hi乘积的总和等于施加的安匝数NI。

　　对于一个理想的磁路，即磁路中各点的磁场强度是一常数时，则NI=Hl，因此

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

2.5材料的磁导率

　　磁感应强度（B）是磁场强度（H）的函数。它们之间的关系是：

B=μH（6）

式中μ—磁导率（单位：H/m）