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        博眾達——高頻變壓器繞制工藝對分布電容有哪些影響?

        來源:博眾達    作者:博眾達    瀏覽 次     時間:2020-12-05 11:28

          高頻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,由于高頻變壓器工作在高頻狀態下,那么這些分布電容對高頻變壓器的工作狀態將產生非常大的影響,如引起波形產生振蕩,EMC變差,高頻變壓器發熱等。
         

          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。
         

          高頻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,繞組間電容,雜散電容,下面博眾達小編來分別介紹。
         

          一、 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,我們是否可以把高頻變壓器相鄰兩個繞組看成兩個極板呢?答案是可以的,這個電容就是繞組匝間電容。

          以高頻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----------(1)

          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。
         

          二、 繞組層間電容

          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,在計算高頻變壓器時,一般會出現單個繞組需要繞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

          層間電容是高頻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。

          方法一:參照公式(1),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:可以在高頻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

          


         

          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時非常有利的。缺點就是繞制工藝相對復雜點。
         

          三、 繞組間電容

          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。

          那為何不能短路呢,短路會帶來什么樣的后果?

          將磁力線短路了,那么電感就接近零,再反射到初級,那么初級的電感也為零,這個時候初級是通電的,結果……“砰”就炸機了。
         

          四、 雜散電容

          像平行板電容器一樣,不論什么時候,當兩個導體彼此非???近 (尤其是當兩個導體保持平行時),便產生雜散電容。它不能不斷地減小,也不能像法拉第屏蔽一樣用導體進行屏蔽。

          雜散電容或寄生電容一般出現在印制線路板上的平行導電條之間或印制線路板的相對面上的導電條或導電平面之間,雜散電容的存在和作用,尤其是在頻率很高時,在電路設計中常常被忽視,所以在制造和安裝系統線路板時會產生嚴重的性能問題,例如,噪聲變大,頻率響應降低,甚至使系統不穩定。

          如何消除雜散電容?

          實際上來說不能消除雜散電容。最好的辦法只能設法將雜散電容對電路的影響減到最小。

          那么應該如何減小雜散電容呢?

          減小雜散電容耦合影響的一種方法是使用法拉第屏蔽,它是在耦合源與受影響電路之間的一種簡捷接地導體。

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