高頻變壓器漏感與分布電容

1、摘要：反激變換器的高頻運(yùn)行表明功率變壓器寄生參數(shù)對(duì)變換器的性能影響很 大。變壓器的寄生參數(shù)主要是漏感和分布電容， 而設(shè)計(jì)過(guò)程中往往很少考慮分布 電容。該文給出了適用于工程分析的變壓器高頻簡(jiǎn)化模型，分析高頻高壓場(chǎng)合變壓器寄生參數(shù)對(duì)反激變換器的影響。繼而給出寄生參數(shù)的確定方法，并基于此分 析，提出控制寄生參數(shù)的工程方法，研究不同的繞組繞制方法和繞組位置布局對(duì) 分布電容大小的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中分析的正確性及抑制方法的實(shí)用 性。關(guān)鍵詞：電力電子；分布電容；反激變換器；變壓器；高頻高壓0引言單端反激變換器具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 輸入輸出隔離，升降壓范圍寬，易于實(shí)現(xiàn)多 路輸出等優(yōu)點(diǎn)，在中小功率場(chǎng)合具有

2、一定優(yōu)勢(shì)，特別適合作為電子設(shè)備機(jī)內(nèi)輔助 電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。變壓器作為反激變換器中的關(guān)鍵部件， 對(duì)變換器的整機(jī)性能有 著很大影響。隨著變換器小型化的發(fā)展趨勢(shì)，需要進(jìn)一步提高變換器的開關(guān)頻率 以減小變壓器等磁性元件的體積、重量1-3。但高頻化的同時(shí)，變壓器的寄生 參數(shù)對(duì)變換器工作的影響卻不容忽視4-12。變壓器的寄生參數(shù)主要是漏感和分 布電容。以往，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)反激變壓器時(shí)，往往只對(duì)變壓器的漏感加以重視。 然而，在高壓小功率場(chǎng)合，變壓器分布電容對(duì)反激變換器的運(yùn)行特性及整機(jī)效率 會(huì)有很大影響，不可忽視8-13。對(duì)設(shè)計(jì)者而言，正確的理解這些寄生參數(shù)對(duì)反 激變換器的影響，同時(shí)掌握合理控制寄生參數(shù)的方法，

3、對(duì)設(shè)計(jì)出性能良好的變壓 器，進(jìn)而保證反激變換器高性能的實(shí)現(xiàn)頗為重要。為此，文中首先給出變壓器寄生參數(shù)對(duì)反激變換器的影響分析，同時(shí)給出這些寄生參數(shù)的確定方法， 并對(duì)變壓 器的不同繞法以及繞組布局對(duì)分布電容的影響進(jìn)行了研究，對(duì)繞組分布電容及繞組間分布電容產(chǎn)生的影響作了分析， 最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1變壓器寄生參數(shù)對(duì) 反激變換器的影響如圖1,給出考慮寄生參數(shù)后的高壓輸入低壓輸出 RCD箝位反 激變換器拓?fù)洹Ｆ渲?，LI、Lm分別表示原邊漏感和磁化電感，C11為原邊繞組 分布電容，C13 C24表示原邊與副邊繞組不同接線端之間的分布電容。根據(jù)反 激變換器的工作原理，反激變壓器鐵心工作于單向磁化狀態(tài)， 且需

4、要一定的儲(chǔ)能 能力。為防止鐵心飽和，通常在變壓器磁路中留有較大氣隙， 但這會(huì)使得變壓器 有較大漏磁，造成較大的漏感。當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于漏感的存 在，會(huì)在開關(guān)管上激起很高的電壓尖峰12-14。漏感能量吸收方法有多種，圖 1電路是采用RCD箝位rtHR :r M* »Idf 小亠 LLmRlUC：4I Bi B, 一JrRCT> 希:"位網(wǎng)絡(luò)怎用福二模型：f a1考慮分布參數(shù)時(shí)的反激變換器拓?fù)渎穪?lái)吸收漏感能量，控制開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰。另外，在變壓器中，繞組線匝之 間、同一繞組上下層之間、不同繞組之間、繞組對(duì)屏蔽層之間沿某一線長(zhǎng)度方向 的電位是變化的，這樣形成的變壓器

5、分布電容與靜電容不同，其模型十分復(fù)雜 15-20。為便于工程分析，通常與漏感在一起，采用圖1中所示變壓器模型。在低壓高功率場(chǎng)合，因分布電容中儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量 （CU2/2）與漏感中儲(chǔ)存的磁場(chǎng) 能量（LI2/2）相比較小，因而分布電容的影響可以忽略。但在高壓小功率場(chǎng)合， 分布電容儲(chǔ)能與漏感儲(chǔ)能相當(dāng)，甚至比漏感儲(chǔ)能大，此時(shí)分布電容的影響不可忽 略。在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，繞組電壓發(fā)生變化，在變壓器內(nèi)部和主電路回路中引起高頻振蕩， 增加變壓器的損耗，并產(chǎn)生高頻電磁輻射，同時(shí)也會(huì)增加功率器件的動(dòng)態(tài)功耗， 引起較高的應(yīng)力，成為損壞功率器件的隱患。若輸入電壓較高，分布電容儲(chǔ)能較 大，會(huì)使得開關(guān)管在轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)較大的電流

6、尖峰， 在采用峰值電流控制的情況下， 將影響電流采樣的正確性，在輕載時(shí)會(huì)對(duì)電源的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)定性及損耗 有較大影響。由于空間位置的不同，一般情況下，C13和C24并不相等，與繞組 繞制方式有關(guān)。如果變壓器繞制時(shí)原副邊繞組接觸面集中于 2點(diǎn)和4點(diǎn)，則C24 大于C13,反之亦然。若4點(diǎn)接地時(shí)，電容C13和C24兩端電壓變化對(duì)其充放 電會(huì)引起功率損耗。由此，為了保證變壓器具有良好的高頻特性，必須明確影響其寄生參數(shù)（包括漏感和分布電容）的因素，從而對(duì)其進(jìn)行有效的控制。為避免反復(fù)試湊，在設(shè)計(jì)制 作變壓器之前，需要一種有效的方法來(lái)計(jì)算或估計(jì)出這些寄生參數(shù)的大小。這里給出了一種分析比較變壓器漏感、繞組分布

7、電容和繞組間分布。2寄生參數(shù)的確定 2.1漏感漏感表示變壓器繞組之間不完全耦合所表現(xiàn)出來(lái)的寄生效應(yīng)。耦合系數(shù)小于1表示變壓器繞組的空隙中存在漏磁場(chǎng)， 漏感大小可以通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)存在繞組間的漏 磁場(chǎng)能量來(lái)確定。可以認(rèn)為這些漏能量等效于儲(chǔ)存在一個(gè)集中表示的漏感中，這個(gè)漏感就可由下式計(jì)算得到：+九詁誠(chéng)蘊(yùn)(1)式中：式中：卩o為真空磁導(dǎo)率；H為漏磁場(chǎng)強(qiáng)度分布；dV為漏磁場(chǎng)分布的體 積元；Lleak為變壓器線圈漏感；Iin為輸入電流。對(duì)變壓器中的繞組分布作平面假設(shè)，可以得到變壓器的磁場(chǎng)圖。圖2給出了 2個(gè) 實(shí)例，在導(dǎo)體部分磁場(chǎng)強(qiáng)度增加或減少，在層與層間的空間內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度保持不變。f Fl7!1回冋包冋包冋回冋

8、匸二 n - - L+區(qū)I區(qū)I區(qū)因匸 斤-尸H(b)采用交tt規(guī)法不同繞組布局時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度因磁場(chǎng)能量正比于H的平方，采用交錯(cuò)繞法時(shí)Hm會(huì)比較小，由此對(duì)漏感的影響 也比較小，所以通常采用交錯(cuò)繞法以減小漏感。2.2繞組分布電容繞組分布電容對(duì)應(yīng)著變壓器繞組中存儲(chǔ)的電場(chǎng)能量。 為了計(jì)算電場(chǎng)能量，需要知 道變壓器繞組中的電壓分布。根據(jù)下式，可近似得到 2層繞組分布電容C11的 大小： lm是繞組導(dǎo)線平均長(zhǎng)度；d是繞組上下層間距；h是繞組高度；E是繞組間的 電場(chǎng)強(qiáng)度；v是上下層相鄰層間的電壓分布；Uin是輸入電壓；&是層間絕緣 材料介電常數(shù)。由式(2)可見(jiàn)，通過(guò)公式變換，用電場(chǎng)分布的體積積分來(lái)表示

9、的 電場(chǎng)能量可表示為變壓器中電壓分布的線積分。 而電壓分布可以通過(guò)以下方法獲 得：在所測(cè)繞組上施加一個(gè)電壓 U,其余繞組開路，M心r-Mi-HHP腫(.g冷假設(shè)這個(gè)電壓沿著繞組長(zhǎng)度方向均勻分布， 從繞組一端電位為零開始，至另一端 電位增長(zhǎng)到U,這樣即可獲得繞組電壓分布情況。 圖3給出了不同繞法時(shí)的繞組 電壓分布。U!2L7'2(a)C型繞法(b)Z型繞法k '(c)分段式繞法(累進(jìn)式繞法可見(jiàn)，采用C型繞法，繞線雖簡(jiǎn)單，但上下層相鄰匝間的最大電壓差大，分布 電容儲(chǔ)存的能量就很大，從而繞組的端口等效電容較大；采用Z型繞法，繞線稍復(fù)雜些，但線圈上下層相鄰匝間壓差變小， 繞組的端口等效

10、電容明顯減小。 若 要進(jìn)一步減小繞組分布電容，則可采用分段骨架的方法或累進(jìn)式繞法。分段骨架 的方法是將原來(lái)的線圈匝數(shù)分成相等的若干份，線圈間的最大電壓差就只有輸入 電壓的若干分之一，分段越多，線圈間的最大電壓差越小，繞組等效分布電容就 越小。所謂累進(jìn)式繞線方法，就是先繞第1層的一部分，再在第1層上繞回去， 形成第2層的一部分，這樣交替繞制第1層線圈與第2層線圈，設(shè)累進(jìn)的圈數(shù) 為n,則線圈間的最大電壓就是1/n。一般來(lái)講，減小分布電容的繞制方法都可 以減小導(dǎo)線間的絕緣應(yīng)力。一個(gè) 2層繞組的線圈，如分別采用上述 4種繞法， 累進(jìn)式繞法減小繞組分布電容的效果最佳， 兩段式繞法次之，C型繞法最差，Z型

11、 繞法介于中間。以上給出了不同繞法時(shí) 2層繞組分布電容的比較，若匝數(shù)較多， 繞組繞成更多層結(jié)構(gòu)，總的繞組分布電容仍可由式 （2）求出，只是此時(shí)的儲(chǔ)能應(yīng) 是所有的儲(chǔ)能之和。2.3繞組間分布電容 繞組間的分布電容可從電容的基本定義推導(dǎo)而得。這個(gè)電容是沿著繞組分布的， 可以把原副邊繞組看成2根半徑為a的平行導(dǎo)線A、B,中心相距d,如圖4所 示。+q x d-x 一。圖J兩平行導(dǎo)線間分布電容示意圖假設(shè)原邊繞組、副邊繞組分別攜帶電荷 q、-q,距離A的中心x處P點(diǎn)的電場(chǎng) 強(qiáng)度為E,貝U場(chǎng)強(qiáng)E為導(dǎo)線A B的電荷分別在P點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度EA和 EB的 疊加。根據(jù)高斯定理：三卡佔(zhàn)=點(diǎn)+誌五方向是由A指向B。因此，A、B間的電位差UAB為:(4)由此可得長(zhǎng)為I的繞組間分布電容為:乙站& ABhl " _ °a式中：&為繞組導(dǎo)體間絕緣材料的介電常數(shù)；I為2繞組正對(duì)的平均長(zhǎng)度。若 繞組采用的是條狀銅箔，如平面變壓器繞組，則2個(gè)繞組間的電容可使用2塊平行導(dǎo)電板之間的電容計(jì)算公式直接求得：s（6）d變壓器寄生參數(shù)的大小與繞組結(jié)構(gòu)及繞組布局有很大關(guān)系，通過(guò)上述分析，可以得到以下結(jié)論：（1）減小漏感可以由初級(jí)與次級(jí)繞組間的緊耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是繞組結(jié)構(gòu)上采 用很小的間距以及布局上采用交錯(cuò)繞制的方法即可減小漏感。（2）繞組采用不同的繞制方