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工业电源高频变压器的设计
- 2018-11-06-

在高压开关电源设计中,高频变压器用以隔离及升压,实现能量的存储及传递,是项目设计的关键及难点,其性能不仅直接影响到输出产生波形的畸变以及能量传输之效率,它在绝缘/寄生/损耗/电晕放电及整流方面与普通变压器都有着显著的差异,瑞格精密不断的提高工业电源高频变压器参数,充电机高频变压器设计的生产共艺,以优化可靠性、降低其分布参数(漏感、分布电容)。

有关分布电容:

分布电容是大功率高频变压器参数中非常重要的一个,在变压器中,由于两个导体之间分布或者寄生的电气耦合,绕组之间、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高度方向的电位分布是变化的,也就形成了分布电容,由下式表示:

 

式中:

M:分段的段数;

N:每段的层数;

Co:静态电容(pf);

U:层间的电位差;

UP:初级电压。

高频变压器的分布电容主要是由:绕组VS磁芯(或者VS屏蔽层)分布电容、各绕组之间分布电容、绕组VS绕组之间分布电容、以及初级VS次级之间分布电容,这四部分构成(其中初级VS次级之间的分布电容由于高频变压器大都有屏蔽绕组,由于屏蔽层的存在,大大减小了原副边耦合电容,所以其影响可以忽略)。而电容量的大小主要取决于绕组的几何形状。高压变压器通常会有较大的匝数比,二次绕组的匝数比较多,将产生较大的分布电容。对于二次侧来讲,分布电容能达到匝数比平方的数倍,导致无效电流通过二次绕组,从而效率变压器降低。

目前在大功率高频变压器厂家生产过程中,为了尽量减小其分布电容,次级绕组通常采用分层、分段或者分线包绕制,即将次级绕组分:多个线包,各线包之间串串联连接,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。

这几种方式都可以在一定程度上减小分布电容。同样,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。

由于大瓦数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。一次绕组及二次绕组之间需要有效的绝缘厚度或者距离,以避免电场击穿。因此,一次绕组及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。对于一次侧来讲,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,如要保证充分的绝缘距离,就会产生寄生电感。

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、初级及次级绕组匝数;

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:绕组厚度(cm);

L1:初级绕组周长(cm);

L2:次级绕组周长(cm);

L3:初/次级间绕组周长(cm);

a1:初级绕组厚度(cm);

a2:次级绕组厚度(cm);

a3:初/次级间绕组厚度(cm);

μ0:空气导磁率;N1:初级匝数。

显然,高频变压器的漏感本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,其对电源输出回路的影响可以通过下面两个公式说明


 copy from RIGIR

式中:

Io:输出电流;

Uo:高频变压器次级输出电压;

Z:输出回路总阻抗;

X1,X2:折算到高频变压器次级的总漏抗及回路总感抗。
虽然适当的漏感可以抑制短路电流,但很明显,如果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分槽绕制结构、分段绕制,而非减少漏感,所以现在的漏感都做得较大。而且分槽或者分段绕制其底层电压与初级绕组之间电位差非常大,绝缘处理需要很小心谨慎。

目前大部分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及磁路;

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。

通过上述方式绕制的变压器,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,将会让整个系统失效,通常而言变压器基本上要整体维修,设备无法在短时间恢复运行。

如果需要再提高功率或者电压,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,但由于受到工艺生产的局限,让如何控制分布参数尤其是分布电容将变的十分困难。

所以我们需要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。

基本上所有变压器都存在由两层之间的对应匝比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,如果将Co减小到很低的程度,那么总的C也就很小了。换言之,如果有一种绕制⽅法或者则结构,首先使得Cz 非常小,那么Co、C也就相应的降低很多。

环形变压器的漏感虽然最低,但是高压高频变压器几乎没有用环形铁芯来生产的,因为至少初次级绝缘就很难做不到。

于是针对上面提出的几个关键点,我们需要思考一种全新大功率高频变压器设计模式。

高压变压器原理图

 

 

这种方式类似于常用的分槽绕制。

还有一种表示法这个是分段绕制法,或者绕组电压叠加方式

这种方式,次级绕组是分为N个段,会尽可能地降低分布电容,但每段之间的层与层之间的分布电容还是较大。且一旦出现由于负载短路、打火等原因,将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。