多次級高壓變壓器的分布電容

引言

高壓變壓器的分布參數(shù)主要是漏感和分布電容，在高壓變壓器應(yīng)用中單次級變壓器的分布電容很大，嚴(yán)重影響了電路的工作性能。為了減小分布電容，將單次級繞組分段繞制后再串聯(lián)，后接整流和濾波電路。如果分段后變比依舊很大，那么在次級匝數(shù)依然很多的情況下,分布電容依然較大。當(dāng)分布電容不為所用時(shí)，只有想方設(shè)法減小它。

本文通過傳統(tǒng)繞線和PCB迭繞兩種工藝的比較,并采用諧振法測得諧振頻率及通過計(jì)算得到分布電容，最后以實(shí)測波形說明分布電容對電路性能的影響。

1  分布電容產(chǎn)生機(jī)理

在高壓變壓器中，分布電容由匝間分布電容和層間分布電容構(gòu)成。任何兩匝線圈間都存在分布電容。將“平板電容器的電容量與極板面積成正比，與極板間距成反比財(cái)”表達(dá)成只有相鄰兩匝線圈時(shí)單位長度分布電容表達(dá)式為：

其中，C為單位長度分布電容值；e為兩線圈間介質(zhì)的介電常數(shù)；s為長為單位長度、寬為線徑的等效對立面積；d為兩線圈中心間距。為減小兩線間分布電容，減小e和s，增加d。

2  傳統(tǒng)繞制線包和PCB線圈的比較

為方便比較,兩種工藝?yán)@制的變壓器均采用如下相同參數(shù)：

工作模式：全橋拓?fù)?；工作頻率：150kHz；輸入電壓/電流：50V/3A；初級匝數(shù)Np：4匝；8個(gè)輸出次級匝數(shù)Nsl~Ns8:68匝，68匝，68匝，68匝，62匝，62匝，62匝，62匝；次級線徑/線寬：0.2mm；磁芯:PQ40；絕緣等級：初級和次級及次級和磁芯間耐壓大于8kVDC;絕緣處理:均采用0.05mm厚的聚酯薄膜膠紙。

2.1  線包繞制工藝

高壓變壓器的線包繞制工藝如下：

（1）采用直徑為16mm的圓柱型繞線骨架，所有繞線距骨架的上下都應(yīng)有4mm以上留邊距離；

（2）初級采用寬6mmX厚0.05mm的銅箔，次級均采用線徑為0.2mm的漆包線，繞完初級后依次繞次級，所有次級均一層內(nèi)繞完；

（3）初級/磁芯中柱間絕緣要求的聚酯薄膜為24mmXO.05mmX2層，初/次級組間、次級組間及Ns8次級與外磁芯絕緣要求的聚酯薄膜為24mmX0.05mmX6層；

（4）所有次級要一層繞完，初次級出線端頭應(yīng)伸出50mm左右；

（5）初級出線和次級出線分別繞中柱兩邊,Nsl?Ns4出線和Ns5?Ns8出線分別位于磁芯一邊中的上下部位。

圖1所示為傳統(tǒng)方法繞制的線包實(shí)物圖。

圖1   線包實(shí)物圖

2.2  PCB線圈繪制

線寬采用0.2mm,線間距為0.3mm；由于PQ40磁芯窗口寬度為11mm,在預(yù)留足夠絕緣空間的情況下PCB每層最多布置17匝線圈，這樣每個(gè)次級繞組均需4層。如果全部初次級印制在同一塊PCB板中，就有(4層X8十2層)34層，這樣不僅成本太高，而且體現(xiàn)不出多層PCB板“薄”的優(yōu)勢,所以，PCB板采用單層雙面聚四氟乙烯板，厚0.5mm,且雙面迭繞線圈，每組次級線圈均需兩塊PCB板。采用DXP2004軟件繪制的PCB線圈圖如圖2所示。限于篇幅，圖2中只示出Nsl中一塊PCB板的正背面。

2.3  分布電容大小的確定

從變壓器初級視入,分布電容和初級電感構(gòu)成了并聯(lián)諧振回路，所以可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測得此諧振回路的諧振頻率,然后通過下式計(jì)算確定分布電容的大小:

其中，f為諧振頻率，L為初級電感量，C為分布電容。表1所列為上述變壓器的靜態(tài)參數(shù)測試結(jié)果。

由表1數(shù)據(jù)可知，PCB線圈變壓器在分布參數(shù)上均優(yōu)于線包繞制變壓器。這歸因于PCB線圈易于控制線間距和層間距。

3  次級加滿載時(shí)初級電壓波形及分析

10.244.53測試電路采用移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),控制芯片采用UCC3895,開關(guān)管是IRFP460,芯片輸出開關(guān)管驅(qū)動頻率為146.8kHz。輸入電壓為50V,輸出滿載功率為160W。圖3所示為8次級高壓變壓器實(shí)物圖。

圖3    八次級高壓變壓器實(shí)物圖

圖4所示為線包繞制的變壓器初級滿載波形圖，圖5所示為采用PCB線圈的變壓器初級滿載波形圖。

圖4    線包繞制的變壓器初級滿載波形

圖5    PCB線圈變壓器初級滿載波形

通過圖4和圖5所示的兩個(gè)波形圖對比可知，分布參數(shù)已經(jīng)對電路的性能產(chǎn)生了影響。初級漏感越大,尖峰電壓幅度越大;分布電容越大，初級波形的完整性越差。這是因?yàn)榉植茧娙菖c電路中的寄生參數(shù)(如漏感和開關(guān)管寄生電容等)產(chǎn)生了衰減振蕩；同時(shí)開關(guān)管損耗增加，使得變換回路的效率難以提高。在讓輸入電壓從0V緩慢抬升到50V調(diào)試的過程中，線包繞制變壓器會發(fā)出“吱吱”的噪聲，換上PCB線圈變壓器后此現(xiàn)象解除。

4  結(jié)語

本文通過兩種不同工藝所繞制的變壓器說明了分布電容對電路性能產(chǎn)生的影響，同時(shí),PCB線圈迭繞方式也有效地減少了分布電容，并提高了電路的工作性能，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

20210830_612c7a2c63073__多次級高壓變壓器的分布電容