屏蔽技術在高頻變壓器中的應用

1引言

　　供電電源系統采用的高頻變壓器和電感器，如陰極射線管（CRT）顯示器用的回掃變壓器，通常，其幅射磁場很強，但因為這種變壓器的工作頻率與CRT的行偏轉頻率一致，故其輻射磁場對視覺效果不會造成明顯的影響。然而，在一些超高分辨率的CRT顯示器中，由于行偏轉頻率隨著高速掃描而提高，電源變壓器的工作頻率不能與其保持一致，供電電源只能在比CRT掃描頻率低的某一頻率工作。這種情況下，即使電源的工作頻率完全與工作在CRT掃描頻率的某一諧波頻率相一致，電源變壓器的電磁輻射依然會對CRT顯示器的圖象造成明顯的干擾，使視覺效果變差，工作頻率越高，干擾越顯著。

　　對高頻電源變壓器進行電磁屏蔽，多數設計成將變壓器整體地封閉在一個密封的金屬盒內，有時把驅動電路的部件也包括在內。采用這種屏蔽結構時，為防止在高壓繞組和金屬盒內之間可能產生的飛弧，兩者中間要留有足夠大的空隙。所以，這種屏蔽結構對電磁場的屏蔽效果是不理想的，同時還在CRT顯示器中占據相當大的空間。再一種屏蔽結構是將變壓器整體地灌封在具有高介電常數的絕緣材料中，形成一體化無間隙結構。這種灌注成整體結構的問題是：要使灌封達到無間隙，工藝操作上有相當難度；由于以環氧樹脂為代表的灌封材料的位移電荷在封裝材料表面形成高電位，將通過較低介電常數的空氣向有足夠電位差的表面形成飛弧。

　　2屏蔽方式與設計

　　2.1屏蔽方式

　　本設計所采用的高頻電源變壓器的屏蔽結構由三部分組成：磁路、安裝在磁路上的繞組、外表面層的等場強結構的屏蔽罩，其包括大部分在電氣特性上與磁路完全一致的連續磁環路及部分繞組組件。同時，為了防止飛弧，還要在繞組部件有較高電場強度表面一定的距離上，用空氣隙和環氧樹脂來增加強電場區域的屏蔽層厚度。

　　這里介紹這種屏蔽的一個典型設計實例：在緊靠高頻變壓器繞組較低電場區域設置一個電氣特性上連續的屏蔽環路；在較高電場區域靠近繞組的外圍設置另一個電氣特性上連續的屏蔽環路，它應與繞組保持足夠的空間距離，以防止屏蔽環內部電介質（這里指空氣與環氧樹脂）電擊穿。這樣，便可從選定等場強的外形并結合適當選擇電氣特性上連續的環路數、屏蔽環的形狀和其間距，以使高頻電源變壓器得到比較完善的屏蔽效果。在此結構形式的基礎上，我們可以從適當變化屏蔽環的尺寸和布局，為變壓器提供一個分布式散熱器，增強變壓器的冷卻效果。

　　2.2屏蔽設計及說明

　　圖1所示為高頻電源變壓器及其屏蔽的基本結構和電場分布圖。圖中，剖面(50)上可以看到磁路(52)通過圓柱形繞組(56)和一個或幾個低壓線圈(64)，以及次級高壓線圈(66)。高壓線圈(66)是與其它線圈(62)、(64)分開的，沿著繞組(56)的長度方向以線性分布繞制，結合線圈(62)、(64)的布局及磁路(52)的結構，形成了圖1(b)所示的電場強度分布狀況；沿圓柱形繞組(56)長度方向的電場強度分布曲線如圖1(b)之(80)所示。

　　線圈(62)和(66)制成以后，用環氧樹脂進行灌封(74)，以形成變壓器的機械支撐，電氣絕緣和有關防護。初級繞組(62)和低壓線圈(64)在環氧樹脂(74)內的一端設計連續引腳(76)，與印制電路(PCB)(78)相連接。高壓線圈(66)的“低”壓端(68)，通過引線與PCB連接；高壓線圈的“高”壓端(70)通過封固在環氧樹脂中的高壓二極管(72)與外電路或CRT相連接。

　　由圖1(b)電場分布曲線(80)可見，變壓器的最大電場強度在靠近繞組(56)(見圖1(a)所示)末端處，而不是在其邊緣。

　　圖2所示為這種屏蔽結構的分解示意圖(100)。圖1所示的變壓器(50)的剖面圖中包含的磁路(52A)是(110)和(112)兩部分緊密對接的鐵氧體，在其結合部位(120)和(122)處留有適宜的氣隙，絕緣導線(108)把CRT（圖中未畫出）和圖1中所示出的二極管(72)連續起來。普通的U型屏蔽罩(130)圍繞磁心(52A)延伸，把繞組(56)的外側部分的磁路覆蓋住，并包括了氣隙(120)在內也覆蓋了。

　　第二磁路的屏蔽罩(140)由第一電氣特性連接環(150)和第二電氣特性連接環(160)組成，它們以銅箔或其它金屬制作。二個環由屏蔽片(154)相連，并選用一個合適的距離間隔(170)。在具體設計時，環路(150)和(160)的寬度和相隔距離(170)各占繞組(56)長度的三分之一。屏蔽罩(140)延伸到整個變壓器(150A)和另一個屏蔽罩(130)，其中第一個環(150)緊貼繞組部件外表面，在低端(68A)接觸處有足夠厚度的環氧樹脂層。第二環(160)圍繞繞組的高端與繞組間保持有足夠大的空間(其間或者充有其它介質)，以防止環氧樹脂表面(74)與屏蔽環(160)之間產生飛弧。對不同的電場強度分布，相應的電氣連接環的數目和排布也不相同，電場強度越高，環的直徑越大。第一個環(150)和第二個環(160)包圍整個磁路，環內磁通量的總和為零，故屏蔽效果比較理想。

　　3屏蔽材料選擇與屏蔽罩設計

　　眾所周知，電磁場產生的干擾影響可以通過磁屏蔽、磁隔離和轉移元件等產生的作用使其減至最小或消除。磁場通過導磁材料比其通過空氣或其它介質材料時更容易被轉移。所以，常常使用高磁導率的磁性材料來制成環狀或密封的屏蔽元件。