工程師實(shí)踐：大功率高壓高頻變壓器的電容及漏感設(shè)計(jì)

大家都知道，在高壓開關(guān)電源中，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和傳遞、用以隔離和升壓的高頻變壓器是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)，其性能的好壞不僅直接影響到輸出是否產(chǎn)生波形的畸變及能量傳輸?shù)男剩诮^緣、寄生、損耗、電暈放電及整流等方面與其它普通變壓器有著明顯的不同，我們就如何提高此類變壓器的可靠性、降低分布參數(shù)(漏感、分布電容)，提高生產(chǎn)工藝進(jìn)行探討。

1.分布電容

在變壓器中，由于兩個(gè)導(dǎo)體之間分布或寄生的電氣耦合，繞組線匝之間、同一繞組上下層之間、不同繞組之間、繞組對(duì)屏蔽層之間沿著某一線長度方向的電位分布是變化的，這樣就形成了分布電容，由下式表示：

式中：M為分段的段數(shù);N為每段的層數(shù); Co為靜態(tài)電容(pf);U為層間的電位差;UP為初級(jí)電壓。

高頻變壓器的分布電容主要是由繞組對(duì)磁芯(或?qū)ζ帘螌?分布電容、各繞組之間分布電容、繞組與繞組之間分布電容、以及初、次級(jí)之間分布電容四部分組成(其中初、次級(jí)之間的分布電容由于高頻高壓變壓器基本都設(shè)有屏蔽繞組，由于屏蔽層的存在，大大減小了原副邊耦合電容，其影響可以忽略)。電容量的大小主要取決于繞組的幾何形狀。高壓變壓器一般會(huì)有比較大的匝數(shù)比，二次繞組的匝數(shù)較多，將產(chǎn)生較大的分布電容。對(duì)于二次側(cè)來說，分布電容可達(dá)到匝數(shù)比平方的數(shù)倍，導(dǎo)致無效電流通過二次繞組，從而使變壓器效率降低。

目前在高頻高壓變壓器制作過程中，為盡量減小其分布電容，次級(jí)繞組一般采用分層、分段或分線包繞制，即將次級(jí)繞組分為多 個(gè)線包，各線包之間串聯(lián)連接，每個(gè)線包從最底層開始向上逐漸減少匝數(shù);具體到相鄰兩層的電氣連接方式主要有“]”型、“∠”型、“Z”型三種繞組結(jié)構(gòu);也有采用分槽繞制結(jié)構(gòu)的。

“]”型、“∠”型、“Z”型三種不同的繞組結(jié)構(gòu)及分槽繞制結(jié)構(gòu)示意圖

2.幾種可以在一定程度上減小分布電容的方法：

1)、一般而言：采用U型繞法，繞線簡(jiǎn)單，但上下層相鄰匝間的最大電壓差大，分布電容儲(chǔ)存的能量就很大，從而繞組的端口等效電容較大;

2)、采用Z型繞法，繞線稍復(fù)雜些，但線圈上下層相鄰匝間壓差變小，繞組的端口等效電容明顯減小。

3)、若要進(jìn)一步減小繞組分布電容，則可采用分段繞法。分段方法是將原來的線圈匝數(shù)分成相等的若干份，線圈間的最大電壓差就只有輸入電壓的若干分之一，分的段數(shù)越多，線圈間的最大電壓差越小，繞組等效分布電容就越小。

4)、另外，還有一種所謂的累進(jìn)式繞線方法，就是先繞第1層的一部分，再在第1層上繞回去，形成第2層的一部分，這樣交替繞制第1層線圈與第2層線圈，設(shè)累進(jìn)的圈數(shù)為n，則線圈間的最大電壓就是1/n。不過這種方法并不常見。一般來講，減小分布電容的繞制方法都可以減小導(dǎo)線間的絕緣應(yīng)力。

一個(gè)2層繞組的線圈，如分別采用上述4種繞法，累進(jìn)式繞法減小繞組分布電容的效果最佳，兩段式繞法次之，U型繞法最差，Z型繞法介于中間。

3.影響漏感的因素

漏感是表示變壓器繞組之間不完全耦合所表現(xiàn)出來的寄生效應(yīng)。

由于大功率、高壓、高頻變壓器與普通變壓器存在的的設(shè)計(jì)方法不同，主要表現(xiàn)在：絕緣需求、寄生成分、空載損耗、負(fù)載損耗、電暈放電及整流等方面。一次繞組和二次繞組之間需要有效的絕緣厚度或距離，以避免電場(chǎng)擊穿。因此，一次繞組和二次繞組之間的電磁耦合不像傳統(tǒng)的低壓變壓器那樣緊湊。對(duì)于一次側(cè)來說，這將導(dǎo)致寄生泄漏電感，從而影響變壓器的最大功率容量。特別是在設(shè)計(jì)大功率、高壓變壓器的時(shí)候，如要保證足夠的絕緣距離，就會(huì)有寄生電感產(chǎn)生。影響漏感的因素有：

（1）變壓器的結(jié)構(gòu)形式及尺寸;