工程師實踐：大功率高壓高頻變壓器的電容及漏感設計

大家都知道，在高壓開關電源中，實現能量的存儲和傳遞、用以隔離和升壓的高頻變壓器是項目設計的關鍵和難點，其性能的好壞不僅直接影響到輸出是否產生波形的畸變及能量傳輸的效率，它在絕緣、寄生、損耗、電暈放電及整流等方面與其它普通變壓器有著明顯的不同，我們就如何提高此類變壓器的可靠性、降低分布參數(漏感、分布電容)，提高生產工藝進行探討。

1.分布電容

在變壓器中，由于兩個導體之間分布或寄生的電氣耦合，繞組線匝之間、同一繞組上下層之間、不同繞組之間、繞組對屏蔽層之間沿著某一線長度方向的電位分布是變化的，這樣就形成了分布電容，由下式表示：

式中：M為分段的段數;N為每段的層數; Co為靜態電容(pf);U為層間的電位差;UP為初級電壓。

高頻變壓器的分布電容主要是由繞組對磁芯(或對屏蔽層)分布電容、各繞組之間分布電容、繞組與繞組之間分布電容、以及初、次級之間分布電容四部分組成(其中初、次級之間的分布電容由于高頻高壓變壓器基本都設有屏蔽繞組，由于屏蔽層的存在，大大減小了原副邊耦合電容，其影響可以忽略)。電容量的大小主要取決于繞組的幾何形狀。高壓變壓器一般會有比較大的匝數比，二次繞組的匝數較多，將產生較大的分布電容。對于二次側來說，分布電容可達到匝數比平方的數倍，導致無效電流通過二次繞組，從而使變壓器效率降低。

目前在高頻高壓變壓器制作過程中，為盡量減小其分布電容，次級繞組一般采用分層、分段或分線包繞制，即將次級繞組分為多 個線包，各線包之間串聯連接，每個線包從最底層開始向上逐漸減少匝數;具體到相鄰兩層的電氣連接方式主要有“]”型、“∠”型、“Z”型三種繞組結構;也有采用分槽繞制結構的。

“]”型、“∠”型、“Z”型三種不同的繞組結構及分槽繞制結構示意圖

2.幾種可以在一定程度上減小分布電容的方法：

1)、一般而言：采用U型繞法，繞線簡單，但上下層相鄰匝間的最大電壓差大，分布電容儲存的能量就很大，從而繞組的端口等效電容較大;

2)、采用Z型繞法，繞線稍復雜些，但線圈上下層相鄰匝間壓差變小，繞組的端口等效電容明顯減小。

3)、若要進一步減小繞組分布電容，則可采用分段繞法。分段方法是將原來的線圈匝數分成相等的若干份，線圈間的最大電壓差就只有輸入電壓的若干分之一，分的段數越多，線圈間的最大電壓差越小，繞組等效分布電容就越小。

4)、另外，還有一種所謂的累進式繞線方法，就是先繞第1層的一部分，再在第1層上繞回去，形成第2層的一部分，這樣交替繞制第1層線圈與第2層線圈，設累進的圈數為n，則線圈間的最大電壓就是1/n。不過這種方法并不常見。一般來講，減小分布電容的繞制方法都可以減小導線間的絕緣應力。

一個2層繞組的線圈，如分別采用上述4種繞法，累進式繞法減小繞組分布電容的效果最佳，兩段式繞法次之，U型繞法最差，Z型繞法介于中間。

3.影響漏感的因素

漏感是表示變壓器繞組之間不完全耦合所表現出來的寄生效應。

由于大功率、高壓、高頻變壓器與普通變壓器存在的的設計方法不同，主要表現在：絕緣需求、寄生成分、空載損耗、負載損耗、電暈放電及整流等方面。一次繞組和二次繞組之間需要有效的絕緣厚度或距離，以避免電場擊穿。因此，一次繞組和二次繞組之間的電磁耦合不像傳統的低壓變壓器那樣緊湊。對于一次側來說，這將導致寄生泄漏電感，從而影響變壓器的最大功率容量。特別是在設計大功率、高壓變壓器的時候，如要保證足夠的絕緣距離，就會有寄生電感產生。影響漏感的因素有：

（1）變壓器的結構形式及尺寸;