高频变压器分布电容的影响因素分析

0 引言

单端反激变换器具有拓扑结构简单，输入输出隔离，升降压范围宽，易于实现多路输出等优点，在中小功率场合具有一定优势，特别适合作为电子设备机内辅助电源的拓扑结构。变压器作为反激变换器中的关键部件，对变换器的整机性能有着很大影响。随着变换器小型化的发展趋势，需要进一步提高变换器的开关频率以减小变压器等磁性元件的体积、重量[1-3]。但高频化的同时，变压器的寄生参数对变换器工作的影响却不容忽视[4-12]。变压器的寄生参数主要是漏感和分布电容。以往，设计者在设计反激变压器时，往往只对变压器的漏感加以重视。然而，在高压小功率场合，变压器分布电容对反激变换器的运行特性及整机效率会有很大影响，不可忽视[8-13]。对设计者而言，正确的理解这些寄生参数对反激变换器的影响，同时掌握合理控制寄生参数的方法，对设计出性能良好的变压器，进而保证反激变换器高性能的实现颇为重要。为此，文中首先给出变压器寄生参数对反激变换器的影响分析，同时给出这些寄生参数的确定方法，并对变压器的不同绕法以及绕组布局对分布电容的影响进行了研究，对绕组分布电容及绕组间分布电容产生的影响作了分析，最后进行了实验验证。1 变压器寄生参数对反激变换器的影响如图1，给出考虑寄生参数后的高压输入低压输出RCD 箝位反激变换器拓扑。其中，Ll、Lm 分别表示原边漏感和磁化电感，C11 为原边绕组分布电容，C13、C24 表示原边与副边绕组不同接线端之间的分布电容。根据反激变换器的工作原理，反激变压器铁心工作于单向磁化状态，且需要一定的储能能力。为防止铁心饱和，通常在变压器磁路中留有较大气隙，但这会使得变压器有较大漏磁，造成较大的漏感。当功率开关管关断时，由于漏感的存
在，会在开关管上激起很高的电压尖峰[12-14]。漏感能量吸收方法有多种，图1 电路是采用RCD 箝位

路来吸收漏感能量，控制开关管关断电压尖峰。另外，在变压器中，绕组线匝之间、同一绕组上下层之间、不同绕组之间、绕组对屏蔽层之间沿某一线长度方向的电位是变化的，这样形成的变压器分布电容与静电容不同，其模型十分复杂[15-20]。为便于工程分析，通常与漏感在一起，采用图1 中所示变压器模型。在低压高功率场合，因分布电容中储存的电场能量(CU2/2)与漏感中储存的磁场能量(LI2/2)相比较小，因而分布电容的影响可以忽略。但在高压小功率场合，分布电容储能与漏感储能相当，甚至比漏感储能大，此时分布电容的影响不可忽略。

在开关转换时，绕组电压发生变化，在变压器内部和主电路回路中引起高频振荡，增加变压器的损耗，并产生高频电磁辐射，同时也会增加功率器件的动态功耗，引起较高的应力，成为损坏功率器件的隐患。若输入电压较高，分布电容储能较大，会使得开关管在转换时出现较大的电流尖峰，在采用峰值电流控制的情况下，将影响电流采样的正确性，在轻载时会对电源的稳压精度、稳定性及损耗
有较大影响。由于空间位置的不同，一般情况下，C13 和C24并不相等，与绕组绕制方式有关。如果变压器绕制时原副边绕组接触面集中于2 点和4 点，则C24 大于C13，反之亦然。若4 点接地时，电容C13 和C24两端电压变化对其充放电会引起功率损耗。
由此，为了保证变压器具有良好的高频特性，必须明确影响其寄生参数(包括漏感和分布电容)的因素，从而对其进行有效的控制。为避免反复试凑，在设计制作变压器之前，需要一种有效的方法来计算或估计出这些寄生参数的大小。这里给出了一种分析比较变压器漏感、绕组分布电容和绕组间分布。

2 寄生参数的确定

2.1 漏感

漏感表示变压器绕组之间不完全耦合所表现出来的寄生效应。耦合系数小于1 表示变压器绕组的空隙中存在漏磁场，漏感大小可以通过计算储存在绕组间的漏磁场能量来确定。可以认为这些漏能量等效于储存在一个集中表示的漏感中，这个漏感就可由下式计算得到：

式中：式中：μo 为真空磁导率；H 为漏磁场强度分布；dV为漏磁场分布的体积元；Lleak 为变压器线圈漏感；Iin 为输入电流。
对变压器中的绕组分布作平面假设，可以得到变压器的磁场图。图2 给出了2 个实例，在导体部分磁场强度增加或减少，在层与层间的空间内磁场强度保持不变。

因磁场能量正比于H 的平方，采用交错绕法时Hm 会比较小，由此对漏感的影响也比较小，所以通常采用交错绕法以减小漏感。

2.2 绕组分布电容

绕组分布电容对应着变压器绕组中存储的电场能量。为了计算电场能量，需要知道变压器绕组中的电压分布。根据下式，可近似得到2 层绕组分布电容C11 的大小：