工程师实践：大功率高压高频变压器的电容及漏感设计

大家都知道，在高压开关电源中，实现能量的存储和传递、用以隔离和升压的高频变压器是项目设计的关键和难点，其性能的好坏不仅直接影响到输出是否产生波形的畸变及能量传输的效率，它在绝缘、寄生、损耗、电晕放电及整流等方面与其它普通变压器有着明显的不同，我们就如何提高此类变压器的可靠性、降低分布参数(漏感、分布电容)，提高生产工艺进行探讨。

1.分布电容

在变压器中，由于两个导体之间分布或寄生的电气耦合，绕组线匝之间、同一绕组上下层之间、不同绕组之间、绕组对屏蔽层之间沿着某一线长度方向的电位分布是变化的，这样就形成了分布电容，由下式表示：

式中：M为分段的段数;N为每段的层数; Co为静态电容(pf);U为层间的电位差;UP为初级电压。

高频变压器的分布电容主要是由绕组对磁芯(或对屏蔽层)分布电容、各绕组之间分布电容、绕组与绕组之间分布电容、以及初、次级之间分布电容四部分组成(其中初、次级之间的分布电容由于高频高压变压器基本都设有屏蔽绕组，由于屏蔽层的存在，大大减小了原副边耦合电容，其影响可以忽略)。电容量的大小主要取决于绕组的几何形状。高压变压器一般会有比较大的匝数比，二次绕组的匝数较多，将产生较大的分布电容。对于二次侧来说，分布电容可达到匝数比平方的数倍，导致无效电流通过二次绕组，从而使变压器效率降低。

目前在高频高压变压器制作过程中，为尽量减小其分布电容，次级绕组一般采用分层、分段或分线包绕制，即将次级绕组分为多 个线包，各线包之间串联连接，每个线包从最底层开始向上逐渐减少匝数;具体到相邻两层的电气连接方式主要有“]”型、“∠”型、“Z”型三种绕组结构;也有采用分槽绕制结构的。

“]”型、“∠”型、“Z”型三种不同的绕组结构及分槽绕制结构示意图

2.几种可以在一定程度上减小分布电容的方法：

1)、一般而言：采用U型绕法，绕线简单，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;

2)、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。

3)、若要进一步减小绕组分布电容，则可采用分段绕法。分段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，分的段数越多，线圈间的最大电压差越小，绕组等效分布电容就越小。

4)、另外，还有一种所谓的累进式绕线方法，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。不过这种方法并不常见。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，U型绕法最差，Z型绕法介于中间。

3.影响漏感的因素

漏感是表示变压器绕组之间不完全耦合所表现出来的寄生效应。

由于大功率、高压、高频变压器与普通变压器存在的的设计方法不同，主要表现在：绝缘需求、寄生成分、空载损耗、负载损耗、电晕放电及整流等方面。一次绕组和二次绕组之间需要有效的绝缘厚度或距离，以避免电场击穿。因此，一次绕组和二次绕组之间的电磁耦合不像传统的低压变压器那样紧凑。对于一次侧来说，这将导致寄生泄漏电感，从而影响变压器的最大功率容量。特别是在设计大功率、高压变压器的时候，如要保证足够的绝缘距离，就会有寄生电感产生。影响漏感的因素有：

（1）变压器的结构形式及尺寸;

（2）铁芯形状(环形最小)、尺寸、初级和次级绕组匝数;（3）导线截面积、绕组绕制方式、绝缘距离等;可以由下式表示：

式中：h为绕组厚度(cm);L1为初级绕组周长(cm);L2为次级绕组周长(cm);L3为初、次级间绕组周长(cm);a1为初级绕组厚度(cm);a2为次级绕组厚度(cm);a3为初、次级间绕组厚度(cm);μ0为空气导磁率;N1为初级匝数。

可以看出，高频变压器的漏感实质上是一个线性电抗，它与有效负载一样，制约着电源的输出功率，它对电源输出回路的影响可以通过下面两个公式说明：

式中：Io 为输出电流;Uo 为高频变压器次级输出电压;Z 为输出回路总阻抗;X1，X2 分别为折算到高频变压器次级的总漏抗和回路总感抗。

虽然适当的漏感可以抑制例如应用在ESP时闪烙引起的短路电流，但很显然，

若高频变压器漏抗太大，则电源无法输出所需的最大电流，输出功率明显减小。所以即便是对于大变比的高压变压器也必须控制漏感的量。

但是目前在设计高压高频变压器时由于首先考虑的是如何减少分布电容如采用采用分槽绕制结构、分段绕制，而不是减少漏感，所以现在的漏感都做得比较大。而且分槽或分段绕制其底层电压与初级绕组之间电位差非常大，绝缘处理需要非常小心谨慎。

4.目前绝大多数的大功率高压高频变压器都有以下几个共同点：

（1）共有一付大功率铁芯(当然该铁芯也有可能是几付铁芯并联);

（2）所有次级绕组绕制在一付铁芯上，各个次级绕组之间没有单独的磁芯和磁路;

（3）初级绕组绕制(装配)完成后，绕制(装配)次级绕组，初、次级绕组都共有一付铁芯;

（4）次级绕组相对初级绕组远离铁芯。通过这上述方式绕制的变压器所构成的高压转换器，一旦出现由于负载短路、打火等原因而导致绕组任何部位的损坏，将会导致整个系统的失效，一般而言变压器基本上是需要整体维修，设备无法在短时间恢复运行。

如果需要进一步提高功率或电压，无论采取何种模式，都有其固有的缺陷，实现起来也并不容易。特别是输出电压进一步升高的情况下，虽然可以通分层、分段、分包、分槽等绕制方式，但由于受到工艺制作的局限，使得如何控制分布参数尤其是分布电容将变的十分困难。

所以有没有一种既可以降低分布电容、又不增大漏感同时又适应工业化大批量生产的方法呢

先说分布电容，如图所示

由图可见，基本上所有变压器都存在由两层之间的对应匝的电容并联而成的静态层间电容 Co，

而由分布电容的计算公式

不难发现Co是构成变压器分布电容大小的主要因素之一，如果可以将Co减小到很低的程度，那么总的C不也很小了吗 也就是说，如果有一种绕制方法或则结构，首先使得Cz基本很小或非常小，那么Co、C不也就相应的降低很多了。

5.漏感

众所周知，环形变压器的漏感是最低的，原理这就不多说了。但是高压高频变压器几乎没有用环形铁芯来制作的，为什么呢 因为看上去似乎是不可实现的，例如首先初次级绝缘就好像做不到。你总不见得用高压导线去绕制吧 当然，如果体积可以宇宙大也不妨试试。

除此之外，高压变压器中最常用的就是C型或U型铁芯，这种铁芯用起来也方便，功率不够就多并几副，耐压不够就加大窗口，如此反复，不亦乐乎 但是我觉得我们在这方面(大功率高压高频变压器)应该有点创新，四大发明都有了，这点还做不到吗 !!!

也可以等效成下图：

这种方式类似于常见的分槽绕制

还有一种表示法

这个就像我们平时所说的分段绕制法，或者绕组电压叠加方式

这种方式，次级绕组是分为N个段，尽可能地降低分布电容，但是每段之间的层与层之间的分布电容还是不小。并且一旦出现由于负载短路、打火等原因而导致任何一个次级绕组的损坏，将会立即导致整个系统的失效。

一般而言，任何绕制方法都无法保证所有绕组电压的一致性，只能尽可能地接近，你所说的绕制方式，串联之后，电压最高的绕组在最外层，耦合最差，底层的电压最低，但离初级绕组最近，耦合最好，各绕组的输出电压肯定有差异。只不过大小而已，所以在整流之后要加阻、容均压元件。