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博众达——高频变压器绕制工艺对分布电容有哪些影响?

来源:博众达    作者:博众达    浏览 次     时间:2020-12-05 11:28

  高频变压器绕组绕在磁芯骨架上,特别是绕组的层数较多时,不可避免的会产生分布电容,由于高频变压器工作在高频状态下,那么这些分布电容对高频变压器的工作状态将产生非常大的影响,如引起波形产生振荡,EMC变差,高频变压器发热等。
 

  分布电容既然有危害,那么我们就要设法减小这个分布电容的影响,首先我们来分析下分布电容的组成。
 

  高频变压器的分布电容主要分为4个部分:绕组匝间电容,层间电容,绕组间电容,杂散电容,下面博众达小编来分别介绍。
 

  一、 绕组匝间电容

  我们知道电容的基本构成就是两块极板,当两块极板加上适当的电压时,极板之间就会产生电场,并储存电荷。

  那么,我们是否可以把高频变压器相邻两个绕组看成两个极板呢?答案是可以的,这个电容就是绕组匝间电容。

  以高频变压器初级绕组为例,当直流母线电压加在绕组两端时,各绕组将平均分配电压,每匝电压为 Vbus/N,也就是说每匝之间的电压差也是Vbus/N。当初级MOS管开关时,此电压差将对这个匝间电容反复的充放电,特别是大功率电源,由于初级匝数少,每匝分配的电压高,那么这个影响就更严重。但总的来说,匝间电容的影响相对于其他的分布电容来说,几乎可以忽略。

  要减小这个电容的影响,我们可以从电容的定义式中找到答案:

  C=εS/4πkd----------(1)

  其中C:绕组匝间电容量;ε:介电常数,由两极板之间介质决定;S:极板正对面积;k:静电力常量;d:极板间的距离。

  从上式我们可以看出,可以选用介电常数较低的漆包线来减小匝间电容,也可以增大绕组的距离来减小匝间电容,如采用三重绝缘线。
 

  二、 绕组层间电容

  接下来我们来看看看绕组的层间电容,这里的层间电容指的是每个单独绕组各层之间的电容。

  我们知道,在计算高频变压器时,一般会出现单个绕组需要绕2层或2层以上,那么此时的每2层之间都会形成一个电场,即会产生一个等效电容效应,我们把这个电容称为层间电容。如下图:
 

  
 

  电容C就是层间电容

  层间电容是高频变压器的分布电容中对电路影响最重要的因素,因为这个电容会跟漏感在MOSFET开通于关闭的时候,产生振荡,从而加大MOSFET与次级Diode的电压应力,使EMC变差。

  既然有害处,那么我们就需要想办法来克服它,把它的影响降低到可以接受的范围。

  方法一:参照公式(1),在d上作文章,增大绕组的距离来减小层间电容,最有代表性的就是采用三重绝缘线。

  但这个方法有缺点,因为线的外径粗了之后,带来的后果就是绕线层数的增加,而这不是我们想看到的。

  方法二:可以通过选择绕线窗口比较宽的磁芯骨架,因为绕线窗口宽,那么单层绕线可以绕更多的匝数,也意味着可以有效降低绕线的层数,那么层间电容就有效降低了。

  这个是最直接的,也是最有效的。但同样有缺点,选择磁芯骨架要受到电源结构尺寸的限制。

  方法三:可以在高频变压器的绕线工艺上来作文章,可以采用交叉堆叠绕法来降低层间电容,如下图
 

  
 

  此种绕法有个显著缺点,会增加初次级之间的耦合面积,也就是说会加大初次级绕组之间的电容,使EMC变差,有点得不偿失的感觉。

  方法四:还是在绕制工艺上作文章,先来看普通的绕法
 


 

  如上图,这个是我们常用的绕法(也叫U形绕法),我们可以清楚的看到,第1匝与第2N匝之间的压差将非常大,在初中我们学过的物理上有讲,Q=C*U,压差越大,那么在这个电容上储存的电荷就越多,那么这个地方的干扰电压斜率将非常大,也就是说在这个地方形成的干扰就越大。

  我们可以采用Z形绕法来降低这个影响,Z形绕法(也叫折叠绕法)如下

  


 

  从上图我们可以看到,此种绕法可以显著降低电压斜率,对EMC时非常有利的。缺点就是绕制工艺相对复杂点。
 

  三、 绕组间电容

  顾名思义,绕组电容就是指绕组之间产生的电容,比如说初级绕组Np与次级绕组Ns之间的电容。

  此电容由于存在于初次级绕组之间,对电路的EMI是相当不利的,因为初级产生的共模电流信号可以通过这个电容耦合到次级中去,这就造成了非常大的共模干扰;而共模干扰可能会引起电路噪音或者输出的不稳定。

  解决的方法一般就是在初次级之间加一个屏蔽层,并且将这个屏蔽层接到电路中的某点,来降低此电容的影响。

  一般把这种屏蔽层称为法拉第屏蔽层,一般由铜箔或绕组构成在用铜箔时,我们一般用0.9T,或者1.1T,不选择1T,因为1T的话,容易短路。

  那为何不能短路呢,短路会带来什么样的后果?

  将磁力线短路了,那么电感就接近零,再反射到初级,那么初级的电感也为零,这个时候初级是通电的,结果……“砰”就炸机了。
 

  四、 杂散电容

  像平行板电容器一样,不论什么时候,当两个导体彼此非常靠 近 (尤其是当两个导体保持平行时),便产生杂散电容。它不能不断地减小,也不能像法拉第屏蔽一样用导体进行屏蔽。

  杂散电容或寄生电容一般出现在印制线路板上的平行导电条之间或印制线路板的相对面上的导电条或导电平面之间,杂散电容的存在和作用,尤其是在频率很高时,在电路设计中常常被忽视,所以在制造和安装系统线路板时会产生严重的性能问题,例如,噪声变大,频率响应降低,甚至使系统不稳定。

  如何消除杂散电容?

  实际上来说不能消除杂散电容。最好的办法只能设法将杂散电容对电路的影响减到最小。

  那么应该如何减小杂散电容呢?

  减小杂散电容耦合影响的一种方法是使用法拉第屏蔽,它是在耦合源与受影响电路之间的一种简捷接地导体。

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