開(kāi)關(guān)電源中如何通過(guò)改善變壓器工藝提高開(kāi)關(guān)電源可靠性

1 引言

在開(kāi)關(guān)電源中，高頻變壓器是進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存和傳輸?shù)闹匾考?。一個(gè)高頻變壓器應(yīng)具有漏感小、線(xiàn)圈分布電容小，各線(xiàn)圈之間的耦合電容也要小的特點(diǎn)。本文闡述通過(guò)改善變壓器的加工工藝來(lái)減小漏感和線(xiàn)圈本身的分布電容，提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性。

2 初級(jí)線(xiàn)圈的漏感和分布電容

在高頻變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，變壓器的漏感和分布電容必須減至最小，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源中高頻變壓器傳輸?shù)氖歉哳l脈沖方波信號(hào)。在傳輸?shù)乃沧冞^(guò)程中，漏感和分布電容會(huì)引起浪涌電流和尖峰電壓，以及頂部振蕩，造成損耗增加。雖然在開(kāi)關(guān)晶體管的漏極上增加鉗位和吸收電路可以克服尖峰電壓，但過(guò)大的尖峰會(huì)導(dǎo)致鉗位和吸收電路損耗的增加，使開(kāi)關(guān)電源的效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)管的損壞。通常變壓器的漏感，控制為初級(jí)電感量的1%～3%。

2.1 初級(jí)線(xiàn)圈的漏感

變壓器的漏感是由于初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈之間，層與層之間，匝與匝之間磁通沒(méi)有完全耦合而造成的。在變壓器繞制加工中可采取下列措施。

(1) 盡量減少繞組的匝數(shù)，選用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低損耗的磁性材料。

(2)增加線(xiàn)圈尺寸的高度和寬度之比。

(3)盡可能減小繞組間的絕緣厚度，但必須保證變壓器本身有足夠絕緣強(qiáng)度。

(4)采用分層交叉繞制方式繞制初級(jí)、次級(jí)繞組。

(5)采用環(huán)型磁心變壓器時(shí)，不管初級(jí)、次級(jí)繞組的匝數(shù)有多少，在繞制繞組時(shí)，均沿環(huán)型圓周均勻分布地繞制。對(duì)于大電流工作狀態(tài)下的環(huán)型磁心變壓器，采用多繞組并聯(lián)方式繞制，并且盡可能地減小線(xiàn)徑。

(6)改善線(xiàn)圈之間的耦合程度。

(7)在輸入電壓不太高的情況下，初級(jí)、次級(jí)繞組采用雙線(xiàn)并繞的加工工藝。

其中減少初級(jí)線(xiàn)圈的匝數(shù)及增加線(xiàn)圈尺寸的高度和寬度之比，與所選擇的磁心形狀有關(guān)。如果磁心放置線(xiàn)圈的心柱尺寸足夠大，足以能使初級(jí)繞成兩層，甚至繞成一層的話(huà)，就可以有效地減小初級(jí)的漏感及分布電容的值。高頻變壓器適于采用中間心柱較長(zhǎng)的磁心，不適合采用矮胖形狀的磁心。在上述措施中變壓器繞組的匝數(shù)不能減得太少，否則當(dāng)輸入電壓太高，或者脈沖太寬時(shí)，會(huì)引起磁心飽和，導(dǎo)致變壓器繞組的電感值急劇降低，繞組對(duì)交流電流的限流作用降低，嚴(yán)重時(shí)進(jìn)入短路狀態(tài)，在微秒的時(shí)間里，有幾十乃至幾百安培的電流通過(guò)半導(dǎo)體器件，使之失效。

2.2 分布電容

變壓器繞組線(xiàn)匝之間，同一繞組的上、下層之間，不同繞組之間，繞組與屏蔽層(或磁心)之間形成的電容稱(chēng)為分布電容。開(kāi)關(guān)變壓器分布電容主要由下面幾部分組成。

(1) 各繞組與屏蔽層(或磁心)之間的分布電容。

(2)各繞組線(xiàn)匝之間的分布電容。

(3)繞組與繞組之間的分布電容。

(4)各繞組的上、下層之間的分布電容。

在開(kāi)關(guān)電源的晶體管通、斷期間，線(xiàn)圈的分布電容被反復(fù)地充電和放電，其能量都被鉗位和吸收電路所消耗，降低了開(kāi)關(guān)電源的效率。此外，線(xiàn)圈的分布電容還與線(xiàn)圈的漏感一起形成LC振蕩，產(chǎn)生振鈴噪聲。要減小分布電容可以采取下列措施：

(1) 繞組進(jìn)行分段繞制;

(2)正確安排繞組的極性，以減小各繞組之間的電位差;

(3)初級(jí)、次級(jí)繞組之間增加靜電屏蔽措施;

(4)選擇漏磁勢(shì)組數(shù)M=4。

[!--empirenews.page--]

3 繞組加工

3.1 初級(jí)繞組

初級(jí)繞組應(yīng)放在最里層，這樣可使變壓器初級(jí)繞組每一匝用線(xiàn)長(zhǎng)度最短，從而使整個(gè)繞組的用線(xiàn)為最少，這有效地減小了初級(jí)繞組自身的分布電容。在通常情況下，變壓器的初級(jí)繞組被設(shè)計(jì)成兩層以下的繞組，可使變壓器的漏感為最小。

初級(jí)繞組放在最里面，使初級(jí)繞組得到了其他繞組的屏蔽，有助于減小變壓器初級(jí)繞組和鄰近器件之間電磁噪聲的相互耦合。

初級(jí)繞組放在最里面，使初級(jí)繞組的起始端作為連接開(kāi)關(guān)電源功率晶體管的漏極或集電極驅(qū)動(dòng)端，可減少變壓器初級(jí)對(duì)開(kāi)關(guān)電源其他部分電磁騷擾的耦合。

3.2 次級(jí)繞組

初級(jí)繞組繞完，要加繞(3～5)層絕緣墊襯再繞制次級(jí)繞組。這樣可減小初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間分布電容的電容量，也增大了初級(jí)和次級(jí)之間的絕緣強(qiáng)度，符合絕緣耐壓的要求。減小變壓器初級(jí)和次級(jí)之間的電容有利于減小開(kāi)關(guān)電源輸出端的共模騷擾。

如果開(kāi)關(guān)電源的次級(jí)有多路輸出，并且輸出之間是不共地的，為了減小漏感，讓功率最大的次級(jí)靠近變壓器的初級(jí)繞組。如果這個(gè)次級(jí)繞組只有相對(duì)較少幾匝，則為了改進(jìn)耦合情況，還是應(yīng)當(dāng)設(shè)法將它布滿(mǎn)完整的一層，如可以采用多根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)的辦法，有助于改進(jìn)次級(jí)繞組的填充系數(shù)。其他次級(jí)繞組緊密的繞在這個(gè)次級(jí)繞組的上面。

當(dāng)開(kāi)關(guān)電源多路輸出采用共地技術(shù)時(shí)，處理方法簡(jiǎn)單一些。次級(jí)可以采用變壓器抽頭形式輸出，次級(jí)繞組間不需要采取絕緣隔離，從而使變壓器的繞制更加緊湊，變壓器的磁耦合得到加強(qiáng)，能夠改善輕載時(shí)的穩(wěn)壓性能。

3.3 偏壓繞組

偏壓繞組繞在初級(jí)和次級(jí)之間，還是繞在最外層，和開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整是根據(jù)次級(jí)電壓還是初級(jí)電壓進(jìn)行有關(guān)。如果電壓調(diào)整是根據(jù)次級(jí)來(lái)進(jìn)行的，則偏壓繞組應(yīng)放在初級(jí)和次級(jí)之間，這樣有助于減少電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾發(fā)射。如果電壓調(diào)整是根據(jù)初級(jí)來(lái)進(jìn)行的，則偏壓繞組應(yīng)繞在變壓器的最外層，這可使偏壓繞組和次級(jí)繞組之間保持最大的耦合，而與初級(jí)繞組之間的耦合減至最小。初級(jí)偏壓繞組最好能布滿(mǎn)完整的一層，如果偏壓繞組的匝數(shù)很少，則可以采取加粗偏壓繞組的線(xiàn)徑，或者用多根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)繞制，改進(jìn)偏壓繞組的填充情況。這一改進(jìn)措施實(shí)際上也改進(jìn)了采用次級(jí)電壓來(lái)調(diào)節(jié)電源的屏蔽能力，同樣也改進(jìn)了采用初級(jí)電壓來(lái)調(diào)節(jié)電源時(shí)，次級(jí)繞組對(duì)偏壓繞組的耦合情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了開(kāi)關(guān)電源變壓器的加工工藝，通過(guò)變壓器繞組的繞制來(lái)改進(jìn)開(kāi)關(guān)電源的EMI指標(biāo)，希望給從事開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)人員提供一些參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢(qián)振宇 .開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)與測(cè)試.電子工業(yè)出版社，2006

[2] 趙建領(lǐng) .Protel電路設(shè)計(jì)與制版寶典. 電子工業(yè)出版社，2007

作者簡(jiǎn)介

王小波(1978-)，女，本科，中國(guó)兵器工業(yè)第二○八研究所，工程師。