变压器的设计和选型是反激电路设计的关键，熟悉变压器的内部基本物理原理和关键技术参数，对理解变压器的工作过程和对变压器进行设计、选型有着非常大帮助。

1、什么是磁畴

磁畴（Magnetic Domain）是固体材料中微观磁性结构的一个特定区域，其中的原子或分子的磁矩（磁性矢量）在同一方向上排列，产生一个局部的磁场。磁畴通常是微米或更小尺寸的区域，在整个材料中分布广泛。磁畴的存在解释了许多磁性材料的宏观磁性行为。

磁畴理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁畴，是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。

1907年、铁磁理论的奠基者，法国物理学家皮埃尔-欧内斯特·外斯提出了磁畴概念，认为铁磁材料中的原子具有永磁矩，每个原子就像一条条小磁铁。物质中各原子能克服原子的热运动而使原子的磁矩在一定空间范围内沿特定的方向排列，呈现出均匀的自发磁化，这种自发磁化的小区域称为磁畴或外斯畴。铁磁物质内分成很多个磁畴，磁畴与磁畴之间由磁畴壁间隔开，如图所示。

磁畴示意图

各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁，磁畴与磁畴之间由磁畴壁间隔开。这种磁畴壁的结构，可以想象成跟植物细胞一样由细胞壁间隔开。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。

铁磁体（一般把具有铁磁性的物质被称为铁磁体。很多材料都表现出铁磁性，包括铁、钴、镍等。）中每个磁畴所有原子的磁矩方向都是相同的。但是不同的磁畴之间，他们的自发此话方向是不同的，如图。

磁畴的磁矩方向各不相同

在没有外磁场的情况下，各个磁畴的磁矩方向随机，多个磁畴之间磁矩相互抵消。这时，铁磁体的总磁矩为零。因此在没有外磁场的情况下，铁磁体宏观上表现出总磁矩为零，表现为没有磁性。但如果将一个外磁场靠近铁磁体，使其磁场作用于铁磁体，那么铁磁体内部的各个磁畴的磁矩方向将趋于一致。从而使得整个铁磁体对外显示出磁性，这就是铁磁体磁化的过程。一个磁铁作用于一个没有磁性的铁钉之后，这个铁钉被磁铁吸住时，铁钉被磁化，也呈现出磁性。

随着量子的发展，人们才认识到：原子的磁矩来自电子围绕原子核旋转形成的轨道磁矩，以及电子自转形成的自旋磁矩。磁力显微镜（Magnetic force microscope.MFM）是一种原子力显微镜，通过磁性探针扫描磁性样品，检测探针和磁性样品表面的相互作用以重构样品表面的磁性结构。很多种类的磁性相互作用可以通过磁力显微镜测量，包括磁偶相互作用。

有了磁力显微镜，可以直观地观测到磁畴。磁畴存在的主要原因是材料内部的微观磁性相互作用和磁场能量最小化的趋势。

2、 磁芯的材料

反激变压器的磁芯需要具备一些特定的磁性材料特点，以满足其工作条件和性能需求。以下是适用于反激变压器磁芯的主要特点。

（1）高导磁性：反激变压器通常在高频率下工作，因此其磁芯需要具有高导磁性，以确保高效的能量传输和良好的电感性能。

（2）低涡流损耗：由于反激变压器在高频率下运行，涡流损耗（eddy current loss）是一个重要的考虑因素。因此，磁芯材料应具有低涡流损耗特性，以减小能量损失并降低材料加热。

（3）高电阻率：高电阻率材料有助于降低涡流损耗，因为较高的电阻会减小涡流电流的流动。这有助于确保磁芯在高频率下的稳定性。

（4）低磁滞：低磁滞特性表明材料可以迅速响应变化的磁场，而不会在磁场的反转过程中产生大的磁滞损耗。

（5）高温稳定性：反激变压器可能在高温环境下工作，因此磁芯材料应具有良好的高温稳定性，以防止材料的导磁性能在高温下明显下降。

（6）可调性：一些反激变压器要求磁芯具有可调性，以便调整变压器的工作参数。

基于上述要求，铁氧体材料和粉末铁芯材料通常用于反激变压器的磁芯。这些材料具有适当的导磁性能、低涡流损耗、高电阻率和低磁滞，使它们成为适用于高频率反激变压器的理想选择。选择具体的磁芯材料还取决于变压器的设计和性能要求，以及可用的预算和资源。

3、 什么是气隙

变压器的气隙（Gap）是指在变压器的磁路中有意地引入的空间或间隙，其中不包含铁芯或磁性材料，如图所示。

磁芯气隙的示意图

在变压器的磁路中，主要由两个部分组成：铁芯（Iron Core）和气隙。其中， 铁芯是一个磁性材料的环形或矩形核心，用于增强磁场的传输，铁芯通常由硅钢片或其他高导磁性的材料制成；气隙是指铁芯中的空间或缝隙，其中不包含磁性材料，而是充满了空气或其他非磁性材料；气隙可以是设计中的一个元素，也可以是由于制造过程中的不完美而产生的。

气隙在变压器中的作用包括以下几点。

（1）磁场控制：引入气隙可以改变磁场的分布和强度。通过调整气隙的大小，可以控制变压器的磁场，以满足特定的性能要求。

（2）磁滞控制：气隙可以降低铁芯的整体磁滞特性，因为气隙中不包含磁性材料，所以不容易发生磁滞损耗。

（3）电感控制：气隙的存在可以影响变压器的电感值。通过调整气隙的大小，可以调整变压器的电感，从而改变电流和电压的变换比例。

气隙是变压器设计中的一个重要因素，可用于调整和控制变压器的磁性能和性能特性，以满足不同的应用需求。在设计和制造过程中，工程师会仔细考虑气隙的大小和位置，以确保变压器在特定的工作条件下能够稳定和高效地工作。在高频变压器的设计过程中，为了尽量避免出现磁路饱和的现象，通常会故意在磁芯中柱预留一段气隙，由于该气隙的存在使得磁通无法完全经过磁芯，会在气隙边缘有部分磁通扩散进入磁芯窗口，并切割气隙附近的绕组，在高频条件下产生涡流损耗。

一个圆形磁环，我们绕上线圈，通上正好使磁芯饱和的电流。正好饱和，说明里面所有的磁畴都已经有序排列了，如图所示。

封闭磁环磁畴意图

这时在磁环上开个气隙，去除掉一部分磁芯，那么这一部分磁畴也就被去掉了。原来在气隙处的磁畴是有序排列的，相当于是一个小磁铁，所以对气隙旁边的磁畴的有序排列有正向的作用力，现在被去掉了，所以作用力消失。气隙旁边的磁畴原来是恰好可以全部都有序排列的，现在受到的正向作用力变小了，所以就不能全部有序排列了，磁性变小，进一步导致气隙旁边的磁畴受到的作用力也变小，也没有全部有序排列，这样一个传一个，整个磁芯的磁畴没有有序排列的更多。因此，这个开了气隙的磁环是没有磁饱和的，如图所示。

加了气隙的磁环磁畴示意图

要想使磁畴再次全部有序排列，我们必须通上更大的电流，直到再次饱和，如图所示。

加了气隙的磁环磁畴再次饱和示意图

因此，可以看出，增加气隙，饱和电流增大了。并且从整体上看，磁畴总的有序排列变少，那么产生的磁通也变小了，即磁导率变小了。也可以看出，气隙的增加，从整体上看，弱化了磁畴间的正向相互作用力，因此在没有电流的时候，剩磁变小了。

假定没有气隙时，完全磁饱和对应的磁场强度为Bm（最大磁感应强度），那么加了气隙以后，增大电流，使磁环的所有磁畴再次达到饱和，这时磁场强度应该是多少呢？我们假想一下，磁环里面的所有磁畴在饱和电流时全部排列，也就是最难偏转的那个磁畴在此时正好偏转，无论我们加不加气隙，要使得那个最难发生偏转的磁畴变化到位，就需要最大磁感应强度Bm，所以最难发生偏转的磁畴所在的地方的磁场强度就是Bm。所以加了气隙之后，饱和时的磁场强度还是Bm，相对于之前没有变化。

磁场能量密度为单位体积所包含的磁场能，其公式为B的平方除以2μ，磁芯的储能不变。而气隙处的磁导率μ变成了空气，空气的磁导率一般只有磁环材料的几十分之一到几千分之一，因此，在气隙处的储能密度提升了成百上千倍，如表9.1所示。

表9.1 磁性材料的磁导率

因此，气隙增大了存储能量的能力。

那么气隙是越大越好吗？显然也不是的，因为气隙最大的时候就是没有磁环，也就是空芯电感，理论上空芯电感永不饱和，储能没有上限，只要电流够大。而实际中我们的电流总是有上限的，如果太大导线也承载不了。

事实上，我们说气隙增大了储能上限，说的是在各自都饱和情况下的储能。而在都不饱和的情况下，通上相同的电流，不加气隙的储能更高，因为能量密度公式等于二分之一的μ乘以H的平方，相同电流时，H相同，而不加气隙时磁导率更高。气隙太大，会因为磁导率太低，所以电感感量很增加，所以我们需要选择合适的气隙大小。

4、 什么是漏感

漏感是变压器的初次级在耦合的过程中漏掉的那一部份磁通。变压器的漏感应该是线圈所产生的磁力线不能都通过次级线圈，因此产生漏磁的电感称为漏感。

漏感在哪？虽然印制电路板上的印制导线及变压器的引线端也是漏感的一部分，但大部分漏感在变压器原边侧绕组中，尤其是那些与副边侧绕组有耦合关系的原边侧绕组中，漏磁是泄露到空气中的磁力线，没有通过磁芯传递到副边侧的那部分，如图所示。

磁芯磁力线示意图

漏感是因为变压器一组线圈到另一组磁通量不完全耦合而产生的电感分量。任何初级线圈到次级线圈磁通量没有耦合的部分会表现出一个与初级串联的感性阻抗。漏磁不参与初级线圈和次级线圈的磁耦合能量传递。它们就像是电感，串联在电路里。电感作为阻抗，会产生压降，所以变压器上的实际电压会更小，如图所示。

漏感等效于电感的示意图

在特定应用中，如开关电源和照明整流器，变压器的漏感在产品设计中会产生重要的功能影响。因此，准确的漏感测量对于变压器制造商来说通常是一项重要的步骤。

理论上的理想变压器没有损耗。电压比直接为匝数比，电流比为匝数比的倒数。在实际的变压器中，初级线圈的某些磁通量不会耦合到次级线圈。这些“漏掉”的磁通量不会参与变压器的工作，可以表示为额外的与线圈串联的感性阻抗。

在某些变压器的设计中，漏感必须要在总的电感量占更大的比例，并设定一个小的误差。漏感量比例的增加通常通过在磁芯中引入空气间隙来实现，因而降低磁芯的磁导率以及初级线圈的电感。因此初级线圈与次级线圈磁通量不耦合部分所占的比例也会增加。

那么气隙是否跟漏感有线性关系？

下面以一个例子来说明变压器漏感与气隙大小的3种关系：不变、变大、变小。

如图9.21所示，假设气隙1、2、3使得磁阻R1=R2=R3，忽略窗口的那少部分磁通，可知Φ=Φ1+Φ2。

磁芯磁力线示意图

存在下面3种情况：

（1）增加气隙1，R1>R3，使得Φ1>Φ2，即耦合到Ns的磁通更多，漏感减小。

（2）增加气隙2，R1=R3还是成立，Φ1=Φ2，即耦合到Ns的磁通不变，漏感不变。

（3）增加气隙3，R1

变压器漏感与气隙大小的关系，不能简单说增大、减小或者不变，得根据具体的绕组结构，磁芯结构来分析。

1. 1.  决定漏感大小的因素

对于固定的已经制作好的变压器，漏感与以下几个因素有关。

K：绕组系数，变压器的绕组系数是指绕组之间的互感系数，通常用符号"K"来表示。它表示两个绕组之间的电磁耦合程度。变压器绕组系数的取值范围在0到1之间。绕组系数的大小取决于绕组之间的物理位置、磁场分布和绕组之间的绝缘等因素。在设计变压器时，工程师会考虑绕组系数，以满足特定的电压变换和能量传输需求，并确保变压器的性能达到预期。绕组系数（互感系数）是由绕组之间的电磁耦合程度决定的，可以通过以下方式来提高绕组系数：提高绕组之间的物理接近度；增加磁耦合路径；改善绕组设计，优化绕组的设计，如选择适当的绕组形状、绕组层数、导线间距和层绕组的方式等，可以提高电磁耦合；使用屏蔽和绝缘材料，在绕组之间使用适当的屏蔽材料和绝缘材料，以减少漏磁场和电场的干扰，有助于提高绕组系数；精确控制制造过程，在变压器制造过程中，确保绕组的准确制造和安装，以避免机械误差和误差的积累，从而影响绕组系数；使用高质量的材料，使用高导磁性、低损耗的材料，如硅钢片，可以提高磁耦合效率，从而提高绕组系数；考虑绕组方向性：对于多绕组变压器，可以通过合理安排绕组的方向来增加电磁耦合。例如，采用交叉或角度安排绕组，而不是平行安排；避免绕组短路，确保绕组之间没有意外的短路或接触，以防止电流绕过绕组。

Lmt：整根绕线绕在骨架上平均每匝的长度。绕组越宽，漏感就越减小。把绕组的匝数控制在最少的程度，对减小漏感非常有好处。

Nx：绕组的匝数。

W：绕组宽度。

Tins：绕线绝缘厚度。

bW：:制作好的变压器所有绕组的厚度。

1. 2.  漏感的危害与防护

漏感是指没有耦合到磁心或者其他绕组的可测量的电感量，它就像一个独立的电感串入在电路中，它导致开关管关断的时候DS之间出现尖峰，因为它的磁通无法被二次侧绕组匝链。

漏感可看作与变压器原边侧电感串联的寄生电感。所以，在开关管关断瞬间，这两个电感中的电流都是原边侧峰值电流。但是，在开关管关断时，原边侧电感能量可以通过互感转移到副边（通过输出二极管）释放，但漏感能量无处可去。如果不尽力吸收这些漏感能量，尖峰会很高，将造成开关管损坏。既然这些能量肯定不能传输到副边侧，那就只有两种选择：要么设法回馈至输入电容，要么设法消耗掉（损耗）。简单起见，通常选择后者。一般可直接采用稳压管钳位方法，即：在原边侧增加一个稳压管。