脉冲变压器的磁学（下）

4高频电流效应

4．1趋肤效应

当导线流过交变电流时，在导线内部将产生与电流方向相反的电动势。由于导线中心较导线表面的磁链大，在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大。这样作用的结果，电流在表面流动，中心则无电流，这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动，就是“趋肤效应”。电流只在导线的表层流过，其表层的厚度称为“穿透厚度或趋肤深度△”，它和工作频率的平方根成反比。穿透厚度△可表示为：（21）

式中△——穿透厚度，mmK=，材料常数，铜在20℃时,K=1；

ρ—工作温度时的电阻率，Ω/cm；

ρC—铜在20℃时的电阻率=1.724×10－6，

Ω/cm；

μT—导体材质相对磁导率，非导磁材料μT=1；

f—频率，Hz；

km—与物质和温度有关的常数（例如铜：100℃时，km=75,20℃时km=65.5）

由于趋肤效应使导线有效导电面积减小，电流密度有所提高，引起铜耗增加，效率下降。因此工作于高频的变压器就需考虑这一影响。在高频变压器中的单根导线线径过大，等于浪费了铜。一般，线径不超过穿透厚度的2到3倍为宜。由式（21）可知，频率增加，穿透厚度减小。在保持电流不变的情况下，相当于电流密度增加，因此铜耗显著增大，使变压器温升增高。

4.2邻近效应

相邻导线流过高频电流时，由于磁电作用使电流偏向一边的特性，称为“邻近效应”。如相邻二导线A，B流过相反电流IA和IB时，B导线在IA产生的磁场作用下，使电流IB在B导线中靠近A导线的表面处流动，而A导线则在IB产生的磁场作用下，使电流IA在A导线中沿靠近B导线的表面处流动。又如当一些导线被缠绕成一层或几层线匝时，磁动势随绕组的层数线性增加，产生涡流，使电流集中在绕组交界面间流动，这种现象就是邻近效应。邻近效应随绕组层数增加而呈指数规律增加。因此，邻近效应影响远比趋肤效应影响大。减弱邻近效应比减弱趋肤效应作用大。

由于磁动势最大的地方，邻近效应最明显。如果能减小最大磁动势，就能相应减小邻近效应。所以合理布置原副边绕组，就能减小最大磁动势，从而减小邻近效应的影响。

理论和实践都说明，设计工频变压器时使用的简单方法，对设计高频变压器不适用。在磁芯窗口允许情况下，应尽可能使用直径大的导线来绕制变压器。在高频应用中常导致错误，使用直径太大的导线，则会使层数增加，叠加和弯曲次数增多，从而加大了邻近效应和趋肤效应，就会使损耗增加。因此太大的线径和太小的线径一样低效。显然由于邻近效应和趋肤效应缘故，绕制高频电源变压器用的导线或簿铜片有个最佳值。

5变压器的应用

变压器在电气和电子工程中被广泛应用，在长途通信和局域网（LAN）中主要用作高频开关电源的电源变压器。

信号变压器在长途通信和局域网（LAN）中的两个主要用途：作为隔离元件用和作为负载阻抗匹配用。尽管把共模扼流圈说成变压器的应用不是很精确，但共模扼流圈和变压器的工作状态有关系，所以在本文中还是把它们放在这一节来阐述。在应用双股对绞电缆的通信和局域网（LAN）中广泛采用扼流圈来抑制噪声。

5.1变压器作为隔离元件用

信号变压器应设计成允许通过信号的频率和允许的振幅失真都在一定范围之内。在长途通信和局域网（LAN）中应用的数字电路必须予以保护，使它免受外部电源，如60Hz/120V或50Hz/230V交流电的危害，50V的电话振铃信号和雷击应尽可能地接到外

图17变压器作为阻抗匹配用

图18具有共模输入的扼流圈

接口上。在输出电路和接口之间放一个变压器可为变压器工作频率范围内的信号提供电的联系，但对这频率范围以外的信号它不起作用，局域网（LAN）和长途通信可应用的工作频率范围可以是10kHz和100MHz之间任何频率（一般来说是这样）。

频率为50Hz/60Hz的高压源信号，因为频率太低，所以无法通过信号变压器的接口。当然变压器的副边绕组会不会受到施加电源电压的危害取决于变压器的结构和功率定额。关键是原边绕组要么在长时期内、要么在危害发生之前允许的时间间隔内保持不受影响。

在雷击的情况下，变压器的副边绕组通常会损坏，但只要与原边隔离，就能达到保护的目的。

5.2作为阻抗匹配用

在2.13节中已提到负载阻抗从变压器的副边转换到原边，只要在阻抗上乘以1/n2的系数即可。变压器的这一特性，使变压器能用于对不同源和负载阻抗进行匹配。

源和负载的匹配阻抗表示为：

ZIN=ZSOURCE

从2.13节中我们知道等效阻抗是接在原边的两端（等于ZIN）。

ZIN=ZLOAD／n2

因此，输入和输出如匹