多次級高壓變壓器的分布電容

　　摘要：本文通過傳統繞線和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算得到分布電容，zui后以實測波形說明分布電容對電路性能的影響。

        高壓變壓器的分布參數主要是漏感和分布電容，在高壓變壓器應用中單次級變壓器的分布電容很大，嚴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，后接整流和濾波電路。如果分段后變比依舊很大，那么在次級匝數依然很多的情況下，分布電容依然較大。當分布電容不為所用時，只有想方設法減小它。
　　
　　　
　　1、分布電容產生機理
　　
　　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”表達成只有相鄰兩匝線圈時單位長度分布電容表達式為：　　
　　其中，C為單位長度分布電容值；ε為兩線圈間介質的介電常數；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ε和s，增加d。
　　
　　2、傳統繞制線包和PCB線圈的比較
　　
　　為方便比較，兩種工藝繞制的變壓器均采用如下相同參數：
　　
　　工作模式：全橋拓撲；工作頻率：150kHz；輸入電壓／電流：50V／3A；初級匝數Np：4匝；8個輸出次級匝數Ns1～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有4mm以上留邊距離；
　　
　　（2）初級采用寬6mm×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，所有次級均一層內繞完；
　　
　　（3）初級／磁芯中柱間絕緣要求的聚酯薄膜為24mm×0．05mm×2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24mm×0．05mm×6層；
　　
　　（4）所有次級要一層繞完，初次級出線端頭應伸出50mm左右；
　　
　　（5）初級出線和次級出線分別繞中柱兩邊，Ns1～Ns4出線和Ns5～Ns8出線分別位于磁芯一邊中的上下部位。　　　　
　　2．2PCB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，在預留足夠絕緣空間的情況下PCB每層zui多布置17匝線圈，這樣每個次級繞組均需4層。如果全部初次級印制在同一塊PCB板中，就有（4層×8+2層）34層，這樣不僅成本太高，而且體現不出多層PCB板“薄”的優勢，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Ns1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成了并聯諧振回路，所以可以通過網絡分析儀測得此諧振回路的諧振頻率，然后通過下式計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參數測試結果。　　
　　由表1數據可知，PCB線圈變壓器在分布參數上均優于線包繞制變壓器。這歸因于PCB線圈易于控制線間距和層間距。
　　
　　3、次級加滿載時初級電壓波形及分析
　　
　　測試電路采用移相全橋拓撲結構，控制芯片采用UCC3895，開關管是IRFP460，芯片輸出開關管驅動頻率為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。　　
　　通過圖4和圖5所示的兩個波形圖對比可知，分布參數已經對電路的性能產生了影響。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。這是因為分布電容與電路中的寄生參數（如漏感和開關管寄生電容等）產生了衰減振蕩；同時開關管損耗增加，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調試的過程中，線包繞制變壓器會發出“吱吱”的噪聲，換上PCB線圈變壓器后此現象解除。
　　
　　4、結語
　　
　　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生的影響，同時，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，達到了優化設計的目的。