对大功率脉冲变压器的几点分析

一、引 言
随着雷达、通讯、电子加速器、高能物理等高科技的迅速发展，对各种高压、大功率脉冲源的需求也越来越广泛，对体积、重量、可靠性和寿命的要求也越来越高。
就雷达发射机而言，大功率脉冲变压器（以下简称:大脉冲）是发射机极重要元件之一，如何制造出性能优良的变压器，来适应现代技术的发展，就必须从理论和实践中去研究这种变压器的新材料、新工艺和新结构，以确保设计出的变压器达到提出的各项指标。
下面我就对变压器的特点、波形失直和磁芯材料等几点来做一些分析。
通常，我们用脉冲变压器来达到以下几个目的:
（1）升高或降低脉冲电压;
（2）使负载阻抗和馈线特性阻抗相匹配;
（3）改变脉冲极性;
（4）使变压器的初次级电路隔离;
（5）用若干个次级绕组得到几个幅值不同而相位一定的脉冲;
（6）用在电子振荡器中（如间歇振荡器）使板极电路和电子管栅极之间得到强耦合;
（7）做为功率合成和变换元件。

二、脉冲变压器与一般普通变压器的区别
所有脉冲变压器其基本原理与一般普通变压器（如音频变压器、电力变压器、电源变压器等）相同，但就磁芯磁化过程这一点来看是有区别的，分析如下:
（1）脉冲变压器是一个工作在暂态中的变压器，也就是说，脉冲过程在短暂的时间内发生，是一个顶部平滑的方波，而一般普通变压器是工作在连续不变的磁化中的，其交变信号是按正弦波形变化，见图1。

图1 脉冲信号与交变信号
（2）脉冲信号是重复周期，一定间隔的，且只有正极或负极的电压，而交变信号是连续重复的，既有正的也有负担电压值。
（3）脉冲变压器要求波形传输时不失真，也就是要求波形的前沿，顶降λ都要尽可能小，然而这两个指标是矛盾的，这在后面的讨论中会提到。

三、大脉冲的特点
3.1 大脉冲的特点(同小功率脉冲变压器(以下简称:小脉冲)相比)
虽然所有的大脉冲的工作物理过程大体相同，而与功率无关，但大脉冲与小脉冲各有特点：
3.1.1 电压高，则绝缘要求高
大脉冲一般工作在很高的电压下，脉冲电压达几万伏甚至几十万伏，绝缘成了主要问题，我们要对绝缘材料做充分的分析和测试，如何保证和次级及绕组与铁芯的绝缘可靠，如何引出高压端将是工作重点。
3.1.2损耗大、散热要求好
脉冲变压器的功率取决于平均功率而不是脉冲功率，为了减少脉冲变压器的体积和重量，就须解决好脉冲变压器的散热问题。
3.1.3 大脉冲要求磁感应增量△B要高
大脉冲需要很高的△B，一般需达数千高斯到数万高斯，这是因为△B越高，磁芯体积Vc越小，由以下推导可看出:
因为


所以

由此可见，△B值用的高低，对减小变压器体积具有决定性影响，△B值对大脉冲而言，是一个非常重要的参数。
由上述几点可知，大脉冲的体积是由散热情况、材料绝缘性能和磁心的DB值所决定的，一般情况下，使用油浸式以提高大脉冲的绝缘性和散热性能，而小脉冲的结构既不取决全散热情况也不取决于绝缘强度，而是取决于制造上的可能性，△B值对小脉冲也并不重要，大部分情况下，它要求的△B值不超过几十高斯，甚至只有几高斯。

四、大脉冲对磁芯材料的要求
4.1 对△B的要求
衡量材料的软磁特性的好坏，主要是导磁率和铁损，大脉冲的磁芯必须能给出最大的饱和磁感应强度值，最大的脉冲视在导磁率和最小的损耗，也就是要求矫顽力，尽可能小，电阻率ρc尽可能大。
对可从以下两种不同的工作状态来要求:（1）不加反向磁场的工作状态时，要求磁芯材料的值越小越好，因为△B=-;（2）在加反向磁场的工作状态时，则要求 越大越好，因为△B=+，总之要求△B越大越好。
4.2 对矫顽力的要求
一般情况下，需要小，因为磁滞回线的面积与铁损成正比，频率高，就会大，回线面积就大，那么铁损也越大，这是我们所不希望的，减小，也就是减小△H，它和增加△B都可提高，因为=△B/△H。在大脉冲功率很高，脉宽很窄的情况下，对的要求也越高，这就要我们在设计时，要对材料的性能仔细研究后再选用。
4.3 对导磁率的要求
由于磁芯涡流的作用，特别是在窄脉冲时，造成磁感应沿钢带截面分布不均，使表面磁感应饱和，而降低，同时，涡流效应还产生反向磁场进一步降低，因为工作状态中脉冲视在导磁率比低很多，所以我们仅了解不行，还需了解。
前面已提过，增大了，就可增加励磁电感，从而减小了励磁电流和顶降λ。
4.4 要求磁芯损耗小
大脉冲的功率很大，因而磁芯损耗也很大，这些损耗产生的热量是相当可观的，若不能考虑增大油箱体积时，就需考虑减小铁损，铁损包括磁滞损耗和涡流损耗。减小，增大可减少磁滞损耗。

减小材料厚度，增加材料电阻率，可减少涡流损耗。

五、分析一下波形失真的原因
5.1 引起顶降的原因
图2是大脉冲的等效电路由图中可看到，通磁芯的电流折合到初级有磁化电流和涡流，此两顶电流之合称为视在励磁电流。

图2 大脉冲等效电路
，的大小是造成波形顶降太小的原因（图3），因为负载电流直接受到和的影响，要减小顶降l，就要减小，即增磁化电感，也就是增大。
图3U1，，与，mM2的关系

5.2 引起前沿的原因
见图4可知，前沿上升时间，一方面是由于电路中存在漏感，它使负载上电流不可能很快上升，另一方面，分布电容使负载上电压的也不可能很快上升，由于电路中同时存在和，所以形成一个振荡回路。

图4 等效电路
当=0，=∞时，这个回路没有衰减，谐振频率为形成图5的振荡波形;

图5 不同值所产生的振荡
a——值小时；b——值大时

图6 脉冲前沿上升的速度
a是相同的值不同的d值; (b)是相同的d值不同的值
当≠0，=∞时，此回路有衰减，其衰减系数为，d越大，也越大。值越大，也越大，d的最佳值应为。
六、结束语
如何处理脉冲变压器的分布参数和结构参数之间复杂而又矛盾的关系是脉冲变压器设计计算的难点，和很小时，变换的脉冲波形畸变也最小，若减小和，就须减少变压器线圈匝数和磁芯截面积，同时，要求变换的脉冲顶降l要小，则须加大磁化电感，也就是说要增加线圈匝数和磁芯截面积，这些参数是相互矛盾的，在设计中只能采用折衷的方法解决，对其取舍应以所要参数的重要性决定。

参 考 文 献
[1] 《脉冲变压器设计》，王瑞华，1985年
[2] 《大功率脉冲变压器对磁芯材料的要求及测试》，杨德芳，1978年
[3] 《脉冲变压器工作总结》，杨德芳，1978年