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變壓器繞制工藝——變壓器分布電容

變壓器繞組繞在磁芯骨架上,特別是繞組的層數較多時,不可避免的會產生分布電容,由于變壓器工作在高頻狀態(tài)下,那么這些分布電容對變壓器的工作狀態(tài)將產生非常大的影響,如引起波形產生振蕩,EMC變差,變壓器發(fā)熱等。所以,我們很有必要對變壓器的分布電容狠狠的研究一把,下面我們就對這個分布電容來展開討論。

分布電容既然有危害,那么我們就要設法減小這個分布電容的影響,首先我們來分析下分布電容的組成,變壓器的分布電容主要分為4個部分:繞組匝間電容,層間電容,繞組電容,雜散電容,下面我們來分別介紹。

首先講講繞組匝間電容

我們知道電容的基本構成就是兩塊極板,當兩塊極板加上適當的電壓時,極板之間就會產生電場,并儲存電荷。那么,我們是否可以把變壓器相鄰兩個繞組看成連個極板呢?答案是可以的,這個電容就是繞組匝間電容。

以變壓器初級繞組為例,當直流母線電壓加在繞組兩端時,各繞組將平均分配電壓,每匝電壓為Vbus/N,也就是說每匝之間的電壓差也是Vbus/N。當初級MOS管開關時,此電壓差將對這個匝間電容反復的充放電,特別是大功率電源,由于初級匝數少,每匝分配的電壓高,那么這個影響就更嚴重。

但總的來說,匝間電容的影響相對于其他的分布電容來說,幾乎可以忽略。要減小這個電容的影響,我們可以從電容的定義式中找到答案:

C=εS/4πkd

其中 C:繞組匝間電容量

ε:介電常數,由兩極板之間介質決定

S:極板正對面積

k:靜電力常量

d:極板間的距離

從上式我們可以看出,可以選用介電常數較低的漆包線來減小匝間電容,也可以增大繞組的距離來減小匝間電容,如采用三重絕緣線。

接下來我們來看看看繞組的層間電容

這里的層間電容指的是每個單獨繞組各層之間的電容。我們知道,在計算變壓器時,一般會出現(xiàn)單個繞組需要繞2層或2層以上,那么此時的每2層之間都會形成一個電場,即會產生一個等效電容效應,我們把這個電容稱為層間電容。

如下圖:

電容C就是層間電容

層間電容是變壓器的分布電容中對電路影響最重要的因素,因為這個電容會跟漏感在MOSFET開通于關閉的時候,產生振蕩,從而加大MOSFET與次級Diode的電壓應力,使EMC變差。既然有害處,那么我們就需要想辦法來克服它,把它的影響降低到可以接受的范圍

方法一:

參照上面給出的公式,在d上作文章,增大繞組的距離來減小層間電容,最有代表性的就是采用三重絕緣線。但這個方法有缺點,因為線的外徑粗了之后,帶來的后果就是繞線層數的增加,而這不是我們想看到的。

方法二:

可以通過選擇繞線窗口比較寬的磁芯骨架,因為繞線窗口寬,那么單層繞線可以繞更多的匝數,也意味著可以有效降低繞線的層數,那么層間電容就有效降低了。這個是最直接的,也是最有效的。但同樣有缺點,選擇磁芯骨架要受到電源結構尺寸的限制。

方法三:

可以在變壓器的繞線工藝上來作文章,可以采用交叉堆疊繞法來降低層間電容,如下圖

此種繞法有個顯著缺點,會增加初次級之間的耦合面積,也就是說會加大初次級繞組之間的電容,使EMC變差,有點得不償失的感覺。

方法四:

還是在繞制工藝上作文章,先來看普通的繞法

如上圖,這個是我們常用的繞法(也叫U形繞法),我們可以清楚的看到,第1匝與第2N匝之間的壓差將非常大,在初中我們學過的物理上有講,Q=C*U,壓差越大,那么在這個電容上儲存的電荷就越多,那么這個地方的干擾電壓斜率將非常大,也就是說在這個地方形成的干擾就越大。

我們可以采用Z形繞法來降低這個影響,Z形繞法(也叫折疊繞法)如下圖:

從上圖我們可以看到,此種繞法可以顯著降低電壓斜率,對EMC是非常有利的。缺點就是繞制工藝相對復雜點。

下面我們來說說繞組電容

顧名思義,繞組電容就是指繞組之間產生的電容,比如說初級繞組Np與次級繞組Ns之間的電容。此電容由于存在于初次級繞組之間,對電路的EMI是相當不利的,因為初級產生的共模電流信號可以通過這個電容耦合到次級中去,這就造成了非常大的共模干擾;而共模干擾可能會引起電路噪音或者輸出的不穩(wěn)定。

解決的方法一般就是在初次級之間加一個屏蔽層,并且將這個屏蔽層接到電路中的某點,來降低此電容的影響。一般把這種屏蔽層稱為法拉第屏蔽層,一般由銅箔或繞組構成。在用銅箔時,我們一般用0.9T,或者1.1T,不選擇1T,因為1T的話,容易短路。

大家思考下,為何不能短路,短路會帶來什么樣的后果?歡迎在評論區(qū)回復交流。

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