多次级高压变压器的分布电容

引言
    
高压变压器的分布参数主要是漏感和分布电容，在高压变压器应用中单次级变压器的分布电容很大，严重影响了电路的工作性能。为了减小分布电容，将单次级绕组分段绕制后再串联，后接整流和滤波电路。如果分段后变比依旧很大，那么在次级匝数依然很多的情况下，分布电容依然较大。当分布电容不为所用时，只有想方设法减小它。

    本文通过传统绕线和PCB迭绕两种工艺的比较，并采用谐振法测得谐振频率及通过计算得到分布电容，最后以实测波形说明分布电容对电路性能的影响。

1 分布电容产生机理
    在高压变压器中，分布电容由匝间分布电容和层间分布电容构成。任何两匝线圈间都存在分布电容。将“平板电容器的电容量与极板面积成正比，与极板间距成反比”表达成只有相邻两匝线圈时单位长度分布电容表达式为：
   
    其中，C为单位长度分布电容值；ε为两线圈间介质的介电常数；s为长为单位长度、宽为线径的等效对立面积；d为两线圈中心间距。为减小两线间分布电容，减小ε和s，增加d。

2 传统绕制线包和PCB线圈的比较
    为方便比较，两种工艺绕制的变压器均采用如下相同参数：
    工作模式：全桥拓扑；工作频率：150 kHz；输入电压／电流：50 V／3A；初级匝数Np：4匝；8个输出次级匝数Ns1～Ns8：68匝，68匝，68匝，68匝，62匝，62匝，62匝，62匝；次级线径／线宽：0．2mm；磁芯：PQ40；绝缘等级：初级和次级及次级和磁芯间耐压大于8kV DC；绝缘处理：均采用0．05 mm厚的聚酯薄膜胶纸。
2．1 线包绕制工艺
    高压变压器的线包绕制工艺如下：
    (1)采用直径为16 mm的圆柱型绕线骨架，所有绕线距骨架的上下都应有4mm以上留边距离；
    (2)初级采用宽6 mm×厚0．05 mm的铜箔，次级均采用线径为0．2 mm的漆包线，绕完初级后依次绕次级，所有次级均一层内绕完；
    (3)初级／磁芯中柱间绝缘要求的聚酯薄膜为24 mm×0．05 mm×2层，初／次级组间、次级组间及Ns8次级与外磁芯绝缘要求的聚酯薄膜为24 mm×0．05 mm×6层；
    (4)所有次级要一层绕完，初次级出线端头应伸出50 mm左右；
    (5)初级出线和次级出线分别绕中柱两边，Ns1～Ns4出线和Ns5～Ns8出线分别位于磁芯一边中的上下部位。
    图1所示为传统方法绕制的线包实物图。

2．2 PCB线圈绘制
    线宽采用0．2 mm，线间距为0．3 mm；由于PQ40磁芯窗口宽度为11 mm，在预留足够绝缘空间的情况下PCB每层最多布置17匝线圈，这样每个次级绕组均需4层。如果全部初次级印制在同一块PCB板中，就有(4层×8+2层)34层，这样不仅成本太高，而且体现不出多层PCB板“薄”的优势，所以，PCB板采用单层双面聚四氟乙烯板，厚0．5 mm，且双面迭绕线圈，每组次级线圈均需两块PCB板。采用DXP2004软件绘制的PCB线圈图如图2所示。限于篇幅，图2中只示出Ns1中一块PCB板的正背面。

 

2．3 分布电容大小的确定
    从变压器初级视入，分布电容和初级电感构成了并联谐振回路，所以可以通过网络分析仪测得此谐振回路的谐振频率，然后通过下式计算确定分布电容的大小：
   
    其中，f为谐振频率，L为初级电感量，C为分布电容。表1所列为上述变压器的静态参数测试结果。

    由表1数据可知，PCB线圈变压器在分布参数上均优于线包绕制变压器。这归因于PCB线圈易于控制线间距和层间距。

3 次级加满载时初级电压波形及分析
    测试电路采用移相全桥拓扑结构，控制芯片采用UCC3895，开关管是IRFP460，芯片输出开关管驱动频率为146．8 kHz。输入电压为50 V，输出满载功率为160 W。图3所示为8次级高压变压器实物图。

 图4所示为线包绕制的变压器初级满载波形图，图5所示为采用PCB线圈的变压器初级满载波形图。

    通过图4和图5所示的两个波形图对比可知，分布参数已经对电路的性能产生了影响。初级漏感越大，尖峰电压幅度越大；分布电容越大，初级波形的完整性越差。这是因为分布电容与电路中的寄生参数(如漏感和开关管寄生电容等)产生了衰减振荡；同时开关管损耗增加，使得变换回路的效率难以提高。在让输入电压从0 V缓慢抬升到50 V调试的过程中，线包绕制变压器会发出“吱吱”的噪声，换上PCB线
圈变压器后此现象解除。

4 结语
    本文通过两种不同工艺所绕制的变压器说明了分布电容对电路性能产生的影响，同时，PCB线圈迭绕方式也有效地减少了分布电容，并提高了电路的工作性能，达到了优化设计的目的。