高頻變壓器分布參數(shù)的實驗研究

摘 "要： 高頻變壓器是開關(guān)電源最重要的組成部分，在系統(tǒng)中起著能量傳輸、電壓匹配以及電路隔離的作用。因此在大功率開關(guān)電源中高頻變壓器性能的好壞是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。針對高頻變壓器性能中分布參數(shù)對系統(tǒng)帶來的不利影響，在傳統(tǒng)變壓器模型的基礎(chǔ)上建立了高頻變壓器的電路等效模型，通過理論分析高頻變壓器分布參數(shù)的變化規(guī)律，得出減小變壓器漏感與分布電容的具體措施。最后通過實驗證明這些措施對于變壓器分布參數(shù)起到了較好的抑制作用。

關(guān)鍵詞： 開關(guān)電源; 高頻變壓器; 漏感; 分布電容

中圖分類號： TN910?34; TM832 " " " " " " " " 文獻標(biāo)識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0141?04

Experimental study on distributed parameters of HF transformer

LIU Yi?li1， YUAN Bo1， CAO Jiang?tian2， ZHAO Hui1， XIAO Shi1

（1. School of Electronics and Information， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China; 2. Unit 93897 of PLA， Xi’an 710077， China）

Abstract：High?frequency transformer is the most important part of switching power supply， which plays a role in energy transmission， voltage matching and circuit isolation in the system， so the performance of high?frequency transformer in high?power switching power supply is a key to design high?power switching power supply. A circuit equivalent model of HF transformer is established on the basis of traditional transformer model to eliminate the adverse impact of distributed parameter in high frequency transformer performance on the whole system. By a theoretical analysis on the variation tendency of distribution parameters of HF transformer， the concrete measures to reduce the transformer leakage inductance and distributed capacitance are determined. Experiment results show that these measures have a good inhibitory action for distribution parameters of the HF transformer.

keywords： switching power supply; HF transformer; leakage inductance; distributed capacitor

0 "引 "言

高頻變壓器有能量傳輸、電壓變換和電路隔離的作用，是開關(guān)電源最重要的組成部分。在大功率開關(guān)電源設(shè)計中，變壓器設(shè)計是整個設(shè)計環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，其性能的好壞不僅影響到輸出波形的質(zhì)量和整機傳輸效率，還影響到功率開關(guān)器件的安全工作。

隨著頻率的不斷增加，在減小了電源體積及增加功率密度的同時，變壓器分布參數(shù)對環(huán)境下這些分布參數(shù)容易發(fā)生諧振，在諧振于電源電路的不利影響也越來越嚴重。高頻點噪音明顯增大，惡化了電源的電磁干擾特性。此外，分布參數(shù)還使得變壓器的勵磁電流發(fā)生畸變，系統(tǒng)效率下降，控制變得復(fù)雜。因此，在變壓器設(shè)計時需要采取一定的措施來減小變壓器分布參數(shù)對電路的不良影響。

本文針對變壓器在高頻條件下工作的特點，通過對特定繞組結(jié)構(gòu)漏電感與分布電容的理論分析，給出了減小變壓器漏感與分布電容的基本措施，并通過實際電路來驗證這些措施的有效性。

1 "高頻變壓器等效電路

理想變壓器的磁芯磁導(dǎo)率[μ=∞]，勵磁電流為零，同時初級與次級線圈全耦合，繞組線圈電阻為零[1]。然而實際變壓器磁芯與線圈都不是理想的，必然存在著寄生參數(shù)。

首先磁芯磁導(dǎo)率不可能無窮大，因而運行時需要消耗一定的勵磁電流。變壓器初級接入電壓 ，在線圈上產(chǎn)生磁勢[i1N1]，負載電流[i2]在線圈[N2]中也產(chǎn)生磁勢[i2N2]，且兩個磁動勢方向相反，如圖1所示。

變壓器負載時，次級電流[i2]產(chǎn)生的磁勢[i2N2]是去磁磁勢，與勵磁磁勢[i1tN1]方向相反，因此有[i1tN1=][i1N1-i2N2]，其中[i1t]為勵磁電流。

其次，原邊與副邊線圈之間不可能是全耦合，總會有一部分的漏磁通存在，形成漏感。初級漏磁通為[Φ1s]時的初級漏感為[L1s=N1Φ1si1]。同理可知次級漏感為[L2s=N2Φ2si2]，且均與理想變壓器串聯(lián)。還有初級與次級繞組導(dǎo)線的電阻率不為零，有電流流過時會產(chǎn)生繞組損耗，可用串聯(lián)在理想變壓器原邊與副邊的損耗電阻來等效，而變壓器磁芯的磁滯損耗和渦流損耗也可以用并聯(lián)在理想變壓器上的電阻[R]來等效。

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圖1 變壓器模型

高頻與工頻時變壓器模型的最大區(qū)別在于分布電容模型。工頻時變壓器繞組的等效分布電容一般在皮法級，對變壓器的影響可以忽略不計[2]。但工作在高頻時，變壓器分布電容要大于工頻時的分布電容，而且高頻時分布電容形成的容納遠小于工頻時變壓器的容納，這對電源的正常運行是十分不利的，因此在高頻變壓器分析中分布電容是不能被忽略的。

綜合考慮上述各寄生參數(shù)，高頻變壓器的等效電路如圖2所示。虛框中是理想變壓器模型，[R1]、[R2]為原邊與副邊線圈的損耗等效電阻，[R]為鐵損等效電阻，[Lm]為勵磁電感，[L1s]和[L2s]分別為原副邊的漏感，[C1]和[C2]分別為原邊和副邊的集總等效電容，[C]為繞組間電容。

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圖2 高頻變壓器等效模型

2 "高頻變壓器分布參數(shù)

2.1 "勵磁電感

由于實際變壓器磁芯的磁導(dǎo)率有限，因此勵磁電感[Lm]也是一個有限的值，勵磁電感中有勵磁電流[i1t]流過，勵磁電流的大小可通過變壓器空載實驗測得?？蛰d時，變壓器一次繞組施加電壓[u1]，二次側(cè)不接任何負載，忽略繞組損耗等效電阻[R1]，[t]時刻的勵磁電流為：

[i1t=0tu1Ldt=u1Lt] （1）

式中：[L]為二次側(cè)開路時測得的一次電感，可認為[L=L1s+Lm]。由于[L1s?Lm]，因此可近似地認為二次側(cè)開路時測得一次電感就等于勵磁電感。

根據(jù)變壓器的勵磁曲線，磁芯未飽和時勵磁電感值比較大，勵磁電流很小[3]。而當(dāng)變壓器開始飽和時勵磁電感[Lm]開始減小，隨著磁芯飽和程度的加深，勵磁電流急劇增大，會在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間產(chǎn)生很大的浪涌電壓，損壞開關(guān)管。因此在變壓器設(shè)計時最大磁感應(yīng)強度[Bmax]與飽和磁感應(yīng)強度[Bsat]之間應(yīng)留有足夠的裕量。

單端變壓器為防止磁芯飽和，必須在磁芯之間加入一定氣隙使磁芯中的磁通復(fù)位。

2.2 "典型變壓器磁芯的漏電感

任何變壓器都存在漏感，但高頻變壓器的漏感對開關(guān)電源性能的影響特別嚴重。由于漏感能量的存在，在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生很高的反向電動勢，容易損壞開關(guān);同時漏感還可能與變壓器的分布電容組成振蕩回路，向外輻射能量造成電磁干擾。因此分析漏感產(chǎn)生的原因與減少漏電感是高頻變壓器設(shè)計的重要內(nèi)容之一。

變壓器線圈之間的漏電感是由線圈之間的漏磁通產(chǎn)生的，因此若能計算出線圈之間的漏磁通量就能計算出漏感的大小。通過電磁場有限元數(shù)值分析的方法可以得出任意結(jié)構(gòu)變壓器漏感的大小，但計算過程比較復(fù)雜。對于特定磁芯的變壓器，可通過兩個線圈之間的磁場分布來計算線圈之間的漏磁通，從而確定漏感的大小。

圖3是一個典型的單層雙繞組E型變壓器，初級繞組4匝，繞在骨架內(nèi)側(cè);次級繞組2匝，繞在骨架外側(cè)。導(dǎo)線線徑均為[d]，繞組間絕緣層厚度為[b]。變壓器初級通入電流[I1]時，同時產(chǎn)生交鏈初級與次級繞組的主磁通[Φ]和只交鏈初級繞組的一次漏磁通[Φ1s]。加上高磁導(dǎo)率磁芯時，線圈外磁場被磁芯短路，線圈整個磁勢[I1N1]主要降落在窗口空氣路徑上。取初級最內(nèi)側(cè)為參考零點，根據(jù)安培環(huán)路定律沿漏感環(huán)路積分可得：

[Hx=I1N1dhx=Hmxd] （2）

式中：[I1N1]為初級安匝;[Hm]為全部初級安匝在窗口產(chǎn)生的磁場強度;[h]為窗口高度。由式（2）可得出，在初級線圈所占寬度內(nèi)，磁場強度隨[x]線性增加，且當(dāng)[x=d]時環(huán)路包圍了整個初級，磁場強度等于[Hm]。通過兩線圈之間絕緣層的環(huán)路安匝沒有增加，因此磁場強度不變，一直保持到[x=d+b]。當(dāng)[xgt;d+b]時，磁路包圍了次級線圈的一部分。由于次級電流產(chǎn)生的磁動勢是去磁磁動勢，因此磁場強度為：

[Hx=Hm-N2I2dh（x-（d+b））] （3）

忽略勵磁電流時，有[N1I1=N2I2]，則有：

[Hx=Hm-N1I1dh（x-（d+b））=Hmb-xd] "（4）

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圖3 單層雙線圈繞組漏磁通及磁場分布

磁芯內(nèi)部的磁場分布如圖3所示。初級線圈送入磁場的能量為：

[Wm=2Wd+Wb] " " " "（5）

式中：原邊、副邊線圈所占空間存儲的磁能為[Wd];線圈間隙所占空間存儲的磁能為[Wb];分別為：[Wd=0dμ02H2mhav1hdx=μ0hav1（N1I1）22d2h·x33d0 " " =μ0hav1d（N1I1）26h] （6）

[Wb=μ0hav2（N1I1）2b2h] （7）

式中：[hav1]為原副邊線圈的平均長度;[hav2]為線圈絕緣層的平均長度;輸入漏感的能量應(yīng)等于磁場的能量：

[We=12LsI21=Wm] " " " "（8）

根據(jù)式（6）和式（7），考慮到[N1I1=N2I2]和端部磁通，并用繞組平均長度[hav]代替[hav1]和[hav2]，簡化可得初級漏感為：

[Ls=μ0N21havksh（b+2d3）] " "（9）

式中[ks=1-b+2dπh+0.35b+2dπh2]?？梢钥闯觯哳l變壓器的初級漏感與初級繞組匝數(shù)的平方成正比[2]，與窗口的高度[h]成反比，同時還隨著線圈間隔的增加而增加。因此在繞制高頻變壓器時減少繞組匝數(shù)，選取窗口高度較大的磁芯均可有效減少漏感，同時減少繞組間絕緣膠帶的厚度也有利于減小漏感。

2.3 "分布電容

高頻變壓器的分布電容主要是匝間電容和繞組電容。其中，繞組電容是電網(wǎng)與電子電路之間高頻噪聲傳輸?shù)闹饕罚验g電容會影響系統(tǒng)的諧振頻率，惡化電源的電磁干擾特性，增加電源損耗，降低效率，因此有必要對分布電容模型做簡單分析。

為簡化分析，以單層繞組為依據(jù)，并忽略繞組間分布電容來建立匝間電容模型。單層繞組電容分布如圖4所示。圖中，[CZ]為相鄰匝間分布電容，[N]為單層匝數(shù)。

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圖4 單層繞組電容分布模型

設(shè)[C1]為單層繞組兩端的集總等效電容，則有[C1=CZN，Ngt;1]。不難看出，單層繞組匝數(shù)越多，匝間分布等效電容就越小。然而高頻變壓器高壓側(cè)繞組通常由多層線圈串聯(lián)而成，因此除過單層繞組的相鄰匝間電容外，還存在層間電容。層間電容的大小不僅與單層匝數(shù)的多少與層間絕緣距離有關(guān)，還與繞組結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)同一繞組相鄰兩層線圈間連接方式的不同可分為“U”型和“Z”型兩種結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

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圖5 相鄰繞組兩種繞制方法

文獻[5]的研究指出，“U”型結(jié)構(gòu)繞制的層間等效電容隨匝數(shù)的增加電容略有增加，但變化不大;而“Z”型繞法的層間等效電容隨匝數(shù)增加電容減小，但減小的幅度隨匝數(shù)的增加而下降。

3 "變壓器優(yōu)化措施

3.1 "減小漏電感的措施

為減少變壓器的漏電感，最主要的辦法是交錯繞制，即將初級線圈分成兩段，次級線圈夾在中間，也就是所謂的“三明治”結(jié)構(gòu)，這樣可大大增加初、次級線圈之間的耦合度，有效降低漏感。交錯繞制的線圈結(jié)構(gòu)與磁場分布如圖6所示。

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圖6 交錯繞制的線圈結(jié)構(gòu)圖

若與圖3采用相同的磁芯和安匝，交錯繞制的線圈其最大磁場強度是普通繞制線圈最大磁場強度的一半，并且初級線圈與次級線圈的耦合面積增大了一倍，最大限度的減少漏磁通的產(chǎn)生，從而大大降低了漏電感。同樣的道理，若可將初級與次級都分段并交錯繞制，則能更有效的降低漏感。但線圈分段太多，繞制越困難，且充填系數(shù)降低，對變壓器來說也是不利的，因此應(yīng)綜合考慮繞制工藝復(fù)雜度及層間絕緣來選擇是否分段分層。

其次，在選擇變壓器磁芯時，應(yīng)盡量選擇瘦高形磁芯，這類磁芯窗口高度較大，可減少繞組層數(shù)與絕緣層數(shù)，有利于減少漏電感的產(chǎn)生。

3.2 "減小分布電容的措施

通過前面對分布電容的分析可知，高頻變壓器分布電容的大小與變壓器的結(jié)構(gòu)及繞制工藝密切相關(guān)，繞制工藝不同，分布電容就不同。就層間電容而言，在相同線包厚度和絕緣材料情況下，當(dāng)單層匝數(shù)相同時，“Z”型繞組結(jié)構(gòu)層間分布電容要比“U”型結(jié)構(gòu)的繞組小得多。同時繞組層數(shù)越多，等效層間電容就越小，但層數(shù)越多，層間絕緣空間就越多，變壓器漏感就越大，窗口充填系數(shù)也會隨之降低。

對于繞組間分布電容的抑制，行之有效的辦法是在繞組間加靜電屏蔽層，并將屏蔽層用短粗線接到變壓器地線引腳上，一般屏蔽銅皮長度為0.9或1.2倍的繞組外周長度。需要注意的是，銅皮屏蔽層的始端和末端之間要絕緣，不可將屏蔽層的首尾短路。

4 "高頻變壓器實驗研究

為比較不同繞制方法對對高頻變壓器性能影響，分別采用普通繞法與“三明治”繞法并結(jié)合“U”型和“Z”型結(jié)構(gòu)繞制了兩個應(yīng)用于反激電路的高頻變壓器作比較。反激變壓器容量為20 W，工作頻率為132 kHz，磁芯選用PQ20/16，氣隙均為0.1 mm。初級繞組電感1.4 mH，共49匝;次級21匝。變壓器繞組結(jié)構(gòu)如圖7所示。變壓器A初級繞組繞在最內(nèi)側(cè)，并采用“U”型繞組結(jié)構(gòu)，次級繞組在最外側(cè)，輔助繞組繞在初級與次級之間集中繞制。采用TH2828S電橋在100 kHz/1 V條件下測得初級漏感為13.3 μH，原邊分布電容為3.1 nF。將其加入反激電路后開關(guān)管兩端電壓波形如圖8（a）所示。

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圖7 變壓器A、B繞組結(jié)構(gòu)圖

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圖8 反激變換器開關(guān)管漏源電壓波形

變壓器B將初級繞組分成兩段，第一段在最內(nèi)側(cè)，單層繞28匝，第二段在最外側(cè)，單層繞21匝。從磁芯中柱向外的繞組依次是：Np1→Nb→Ns→Np2，輔助繞組Nb與次級繞組Ns的繞制方法與變壓器A相同。采用TH2828S電橋在100 kHz/1 V條件下測得初級漏感為6.2 μH，原邊分布電容為1.6 nF。將其加入反激電路后開關(guān)管兩端電壓波形如圖8（b）所示。

通過實驗對比可以看出，在相同原邊匝數(shù)、相同氣隙與磁芯的情況下，通過普通繞制方法得到的變壓器漏感要比采用交錯繞制變壓器漏感大得多，同時直接測量原邊繞組的等效電容也要大一些。就漏電感而言，交錯繞制分段越徹底，原副邊的耦合越好，相應(yīng)的漏感就越小，但與此同時，隨著繞組分層數(shù)的增加，分布電容也成倍的增加。高頻變壓器繞組中的分布電容與漏電感之間的矛盾是不可調(diào)和的，因此在設(shè)計變壓器時不能僅用一個分布參數(shù)來做變壓器繞制工藝好壞的惟一標(biāo)準(zhǔn)。

5 "結(jié) "語

采用分段繞制的“三明治”繞組結(jié)構(gòu)能有效增加原副邊繞組間的耦合，減小漏磁通的產(chǎn)生，從而減小高頻變壓器的漏電感。采用“Z”型繞組結(jié)構(gòu)的變壓器其等效分布電容要明顯低于采用“U”型繞組結(jié)構(gòu)變壓器，提高了變壓器的頻率特性。

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