绕组工艺对寄生参数的影响.doc

高频寄生参数在设计高频磁性元件的绕制工艺时需考虑到漏感及分布电容的影响，这两个参数是分布在磁性元器件的整个绕组中，但为了简单起见，它们被表示成集总的常数，如下图1所示。漏感对一次用Lp表示，对二次用Ls表示，等效集总参数电容对一次和二次绕组分别用Cp和Cs表示，直流电阻Rp和Rs分别是一次和二次绕组的等效电阻，Cw是绕组与绕组间的等效电容，Re是与铁芯损耗等效的并联电阻。图1.考虑寄生参数的变压器等效电路在低压高功率场合，因分布电容中储存的电场能量(CU2/2)与漏感中储存的磁场能量(LI2/2)相比较小，因而分布电容的影响可以忽略。但在高压小功率场合，分布电容储能与漏感储能相当，甚至比漏感储能大，此时分布电容的影响不可忽略。在开关转换时，绕组电压发生变化，在变压器内部和主电路回路中引起高频振荡，增加变压器的损耗，并产生高频电磁辐射，同时也会增加功率器件的动态功耗，引起较高的应力如下图所示，成为损坏功率器件的隐患。若输入电压较高，分布电容储能较大，会使得开关管在转换时出现较大的电流尖峰，在采用峰值电流控制的情况下，将影响电流采样的正确性，在轻载时会对电源的稳压精度、稳定性及损耗有较大影响。图2.开关元器件电流和电压波形1. 漏感漏感表示变压器绕组之间不完全耦合所表现出来的寄生效应。耦合系数小于1 表示变压器绕组的空隙中存在漏磁场，漏感大小可以通过计算储存在绕组间的漏磁场能量来确定。可以认为这些漏能量等效于储存在一个集中表示的漏感中，这个漏感就可由下式计算得到：式中：o 为真空磁导率；H 为漏磁场强度分布；dV为漏磁场分布的体积元；Lleak 为变压器线圈漏感；Iin 为输入电流。对变压器中的绕组分布作平面假设，可以得到变压器的磁场图。图3 给出了2 个实例，在导体部分磁场强度增加或减少，在层与层间的空间内磁场强度保持不变。图3.不同绕组布局时的磁场强度因磁场能量正比于H的平方，采用交错绕法时Hm会比较小，由此对漏感的影响也比较小。在层绕线圈中，可以通过交替安排一次和二次绕组来显著地减小漏感Lp和Ls，具有单一次和单二次绕组的标准变压器连同它的漏感如图4所示。取同样的变压器，把二次绕组分开安排在一次绕组的两边，將减小漏感，这样变压器连同它的漏感表达式如图5所示。可以采用interleaving的饶法可以更多的减小漏感，这样变压器连同它的漏感表达式如图6所示。还可以采用上下并派分段骨架线圈的办法，这样变压器连同它的漏感表达式如图7所示。改进的三段并排骨架线圈结构同它的漏感表达式如图8所示。图4.传统结构变压器图5.具有简单交错安排三明治饶法图6. 一次与二次完全交错的Interleaving饶法图7.罐型磁芯的分段式饶法图8. 改进的罐型磁芯分段式饶法2 寄生电容高频变压器面临着寄生电容的影响，变压器绕组电容有三个方面的坏处：a) 绕组电容可能使变压器进入谐振；b) 当变压器工作来自方波电源驱动时，绕组电容可能产生一个很大的一次电流尖峰；c) 绕组电容可能与其它电路产生静电耦合。而绕组的寄生电容又可以分为4类：匝间电容，层间电容，绕组间电容，杂散电容。对于工作在高频的小功率变换器，由于绕组的匝数比较少，匝间电容影响不大，可以通过 介电常数较低的线材来减小匝间电容。图9.匝间电容层间电容是主要的寄生电容，我们可以采用如下三种办法减小层间电容：a) 把一次和二次绕组分组，然后把另外的绕组夹在它们中间，如图5所示；b) 绕线方式上采用特殊绕制技术；c) 增加绕组间绝缘层厚度，这将增加漏感，漏感与寄生电容是两个彼消此涨的参数，设计时需要折衷考虑。2.2绕组间分布电容绕组间的分布电容可从电容的基本定义推导而得。这个电容是沿着绕组分布的，可以把原副边绕组看成2根半径为a的平行导线A、B，中心相距d，如图4所示。图10.两平行导线间分布电容示意图假设原边绕组、副边绕组分别携带电荷q、q，距离A 的中心x 处P 点的电场强度为E，则场强E为导线A、B 的电荷分别在P 点产生的电场强度EA和EB 的叠加。根据高斯定理： (2)方向是由A 指向B。因此，A、B 间的电位差UAB 为： (3)由此可得长为l 的绕组间分布电容为 (4)式中： 为绕组导体间绝缘材料的介电常数；l 为2绕组正对的平均长度。若绕组采用的是条状铜箔，如平面变压器绕组，则2 个绕组间的电容可使用2 块平行导电板之间的电容计算公式直接求得： (5)对于绕组间电容，也可以通过增加绕组间的绝缘厚度来减小但会增加漏感，要使饶组间电容减小而又不明显增大漏感的话可以通过在一次和二次绕组间增加屏蔽来实现，如图12。图11.绕组与绕组间分布电容图12.一次和二次间有屏蔽层的变压器结构杂散电容与绕组和绕组间的电容比较类似，这个电容是在绕组与磁芯之间（Cc）和绕组外侧与周围电路之间（Cs）形成，如图13。杂散电容可以通过采用对称绕组或采取遍及整个绕组的屏蔽来使其最小化。图13.具有杂散电容的变压器绕组下图对比了几种不同绕法对寄生电容的不同影响：图14.折叠式绕组与U形绕组的比较 .图15.逐渐累进式饶法的顶视图图16.不同饶法是绕组的电压分布可见，采用C型绕法，绕线虽简单，但上下层相邻匝间的最大电压差大，分布电容储存的能量就很大，从而绕组的端口等效电容较大；采用Z型绕法，绕线稍复杂些，但线圈上下层相邻匝间压差变小，绕组的端口等效电容明显减小。若要进一步减小绕组分布电容，则可采用分段骨架的方法或累进式绕法。分段骨架的方法是将原来的线圈匝数分成相等的若干份，线圈间的最大电压差就只有输入电压的若干分之一，分段越多，线圈间的最大电压差越小，绕组等效分布电容就越小。所谓累进式绕线方法，就是先绕第1层的一部分，再在第1层上绕回去，形成第2层的一部分，这样交替绕制第1层线圈与第2层线圈，设累进的圈数为n，则线圈间的最大电压就是1/n。一般来讲，减小分布电容的绕制方法都可以减小导线间的绝缘应力。一个2层绕组的线圈，如分别采用上述4种绕法，累进式绕法减小绕组分布电容的效果最佳，两段式绕法次之，C型绕法最差，Z型绕法介于中间以上给出了不同绕法时2层绕组分布电容的比较，若匝数较多，绕组绕成更多层结构，总的绕组分布电容可由下式(6)求出，只是此时的储能应是所有的储能之和。 (6)变压器寄生参数的大小与绕组结构及绕组布局有很大关系，通过上述分析，可以得到以下结论：（1）减小漏感可以由初级与次级绕组间的紧耦合来实现，也就是绕组结构上采用很小的间距以及布局上采用交错绕制的方法即可减小漏感。（2）绕组采用不同的绕制方法，绕组分布电容差异较大。采用交错绕制方法，同一绕组层与层的实际间距增大了，所以绕组分布电容相应减小。（3）绕组间分布电容除了与线圈层间距、层间绝缘材料以及绕线粗细有关外，与两绕组正对的面积有很大关系。因而，采用不同的绕组布局时，绕组间电容会有很大不同。采用交错绕制后，原副边绕组正对的面积变大，