開關(guān)電源原理與設計（連載47）開關(guān)電源主要器件之開關(guān)電源變壓器

開關(guān)電源原理與設計

第二章開關(guān)電源主要器件

2-1．開關(guān)電源變壓器

現(xiàn)代電子設備對電源的工作效率、體積以及安全要求等技術(shù)性能指標越來越高，在開關(guān)電源中決定這些技術(shù)性能指標的諸多因素中，基本上都與開關(guān)變壓器的技術(shù)指標有關(guān)。開關(guān)電源變壓器是開關(guān)電源中的關(guān)鍵器件，因此，在這一節(jié)中我們將非常詳細地對與開關(guān)電源變壓器相關(guān)的諸多技術(shù)參數(shù)進行理論分析。

在分析開關(guān)變壓器的工作原理的時候，必然會涉及磁場強度H和磁感應強度B以及磁通量等概念，為此，這里我們首先簡單介紹它們的定義和概念。

在自然界中無處不存在電場和磁場，在帶電物體的周圍必然會存在電場，在電場的作用下，周圍的物體都會感應帶電；同樣在帶磁物體的周圍必然會存在磁場，在磁場的作用下，周圍的物體也都會被感應產(chǎn)生磁通。

現(xiàn)代磁學研究表明：一切磁現(xiàn)象都起源于電流。磁性材料或磁感應也不例外，鐵磁現(xiàn)象的起源是由于材料內(nèi)部原子核外電子運動形成的微電流，亦稱分子電流，這些微電流的集合效應使得材料對外呈現(xiàn)各種各樣的宏觀磁特性。因為每一個微電流都產(chǎn)生磁效應，所以把一個單位微電流稱為一個磁偶極子。因此，磁場強度的大小與磁偶極子的分布有關(guān)。

在宏觀條件下，磁場強度可以定義為空間某處磁場的大小。我們知道，電場強度的概念是用單位電荷在電場中所產(chǎn)生的作用力來定義的，而在磁場中就很難找到一個類似于“單位電荷”或“單位磁場”的帶磁物質(zhì)來定義磁場強度，為此，電場強度的定義只好借用流過單位長度導體電流的概念來定義磁場強度，但這個概念本應該是用來定義電磁感應強度的，因為電磁場是可以互相產(chǎn)生感應的。

幸好，電磁感應強度不但與流過單位長度導體的電流大小相關(guān)，而且還與介質(zhì)的屬性有關(guān)。所以，電磁感應強度可以在磁場強度的基礎上再乘以一個代表介質(zhì)屬性的系數(shù)來表示。這個代表介質(zhì)屬性的系數(shù)人們把它稱為導磁率。

在電磁場理論中，磁場強度H的定義為：在真空中垂直于磁場方向的通電直導線，受到的磁場的作用力F跟電流I和導線長度 的乘積I 的比值，稱為通電直導線所在處的磁場強度。或：在真空中垂直于磁場方向的1米長的導線，通過1安培的電流，受到磁場的作用力為1牛頓時，通過導線所在處的磁場強度就是1奧斯特(Oersted)。

電磁感應強度一般也稱為磁感應強度。由于在真空中磁感應強度與磁場強度在數(shù)值上完全相等，因此，磁感應強度在真空中的定義與磁場強度在真空中的定義是完全相同的。所不同的是磁場強度H與介質(zhì)的屬性無關(guān)，而磁感應強度B卻與介質(zhì)的屬性有關(guān)。

但很多書上都用上面定義磁場強度的方法來定義電磁感應強度，這是很不合理的；因為，電磁感應強度與介質(zhì)的屬性有關(guān)，那么，比如在固體介質(zhì)中，人們就很難用通電直導線的方法來測量通電直導線在磁場中所受的力，既然不能測量，就不應該假設它所受的力與介質(zhì)的屬性有關(guān)。其實介質(zhì)的導磁率也不是通過作用力來測量的，而是通過電磁感應的方法來測量的。

電磁感應強度一般簡稱為磁感應強度。磁場強度H和磁感應強度B由下面公式表示：

磁場強度H = F/I*l （2-1）

磁感應強度B = μ*H （2-2）

（2-1）式中磁場強度H的單位為奧斯特（Oe），力F的單位為牛頓（N），電流I的單位為安培（A），導線長度l 的單位為米（m）。（2-2）式中，磁感應強度B的單位為特斯拉（T）， μ為導磁率，單位為亨/米（H/m），在真空中的導磁率記為u0 ，u0 = 1。由于特斯拉的單位太大，人們經(jīng)常使用高斯（Gs）作為磁感應強度B的單位。1特斯拉等于10000高斯（1T=104Gs）。

由于磁現(xiàn)象可以形象地用磁力線來表示，故磁感應強度B又可定義為磁力線通量的密度，即：單位面積內(nèi)的磁力線通量。磁力線通量密度可簡稱為磁通密度，因此，電磁感應強度又可以表示為：

磁通密度B = Φ/S （2-3）

（2-3）式中，磁通密度B的單位為特斯拉（T），磁通量Φ 的單位為韋伯（Wb），面積的單位為平方米（m2）。如果磁通密度B用高斯（Gs）為單位，則磁通量 的單位為麥克斯韋（Mx），面積的單位為平方厘米（cm2）。其中，1特斯拉等于10000高斯（1T = 104Gs），1韋伯等于10000麥克斯韋（1Wb = 10的4次方Mx）。

電磁感應強度除了可以稱為磁感應強度、磁通密度外，很多人還把它稱為磁感密度。至此，已經(jīng)說明，電磁感應強度B、磁感應強度B、磁通密度B、磁感應密度B等，在概念上是完全可以通用的。

順便說明，在其它書上有人把磁感應強度B的定義為：B = μ0 (H+M)，其中H和M分別是磁化強度和磁場強度，而μ0是真空導磁率。為了簡單，在這本書中我們不準備引入太多的其它概念，如有特別需要，可通過（2-2）式的定義來與其它概念進行轉(zhuǎn)換。

磁感應強度與磁場強度的概念一直以來都比較混亂，這是有歷史原因的。1900年，國際電學家大會贊同美國電氣工程師協(xié)會(AIEE)的提案，決定CGSM制磁場強度的單位名稱為高斯，這實際上是一場誤會。AIEE原來的提案是把高斯作為磁通密度B的單位，由于翻譯成法文時誤譯為磁場強度，造成了混淆。當時的CGSM制和高斯單位制中真空磁導率μ0是無量綱的純數(shù)1，所以，真空中的B和H沒有什么區(qū)別，致使一度B和H都用同一個單位——高斯。

1930年7月，國際電工委員會才在廣泛討論的基礎上作出決定：真空磁導率μ0有量綱，B和H性質(zhì)不同，B和D對應，H和E對應，在CGSM單位制中以高斯作為B的單位，以奧斯特作為H的單位。

直至1960年第十一屆國際計量大會決定：將六個基本單位為基礎的單位制，即米、千克、秒、安培、開爾文和坎德拉，命名為國際單位制，并以SI(法文Le System International el'Unites的縮寫)表示，磁感應強度與磁場強度的概念才基本得到統(tǒng)一。

由于歷史的原因，在電磁單位制中還經(jīng)常使用兩種單位制，一種是SI國際單位制，另一種CGSM（厘米、克、秒）絕對單位制；兩個單位的主要區(qū)別是，在CGSM單位制中真空導磁率 μ0=1，在SI單位制中真空導磁率μ0 = 。因此，只需要在CGSM單位制前面乘以一個系數(shù)。 ，即可把CGSM單位制轉(zhuǎn)換成SI單位制，一般可寫成uu0 或uru0 ，看到這個符號即可知道是采用SI單位制；但這里的u或ur一般稱為相對導磁率，是一個不帶單位的系數(shù)，而u0 則要帶單位。

這里還需要強調(diào)指出，用來代表介質(zhì)屬性的導磁率并不是一個常數(shù)，而是一個非線性函數(shù)，它不但與介質(zhì)以及磁場強度有關(guān)，而且與溫度還有關(guān)。因此，導磁率所定義的并不是一個簡單的系數(shù)，而是人們正在利用它來掩蓋住人類至今還沒有完全揭示的，磁場強度與電磁感應強度之間的內(nèi)在關(guān)系。不過為了簡單，當我們對磁場強度與電磁感應強度進行分析的時候，還是可以把導磁率當成一個常數(shù)來看待，或者取它的平均值或有效值來進行計算。