多次級高壓變壓器的分布電容
高壓變壓器的分布參數主要是漏感和分布電容,在高壓變壓器應用中單次級變壓器的分布電容很大,嚴重影響了電路的工作性能。為了減小分布電容,將單次級繞組分段繞制后再串聯(lián),后接整流和濾波電路。如果分段后變比依舊很大,那么在次級匝數依然很多的情況下,分布電容依然較大。當分布電容不為所用時,只有想方設法減小它。
本文通過傳統(tǒng)繞線和PCB迭繞兩種工藝的比較,并采用諧振法測得諧振頻率及通過計算得到分布電容,最后以實測波形說明分布電容對電路性能的影響。
1 分布電容產生機理
在高壓變壓器中,分布電容由匝間分布電容和層間分布電容構成。任何兩匝線圈間都存在分布電容。將“平板電容器的電容量與極板面積成正比,與極板間距成反比”表達成只有相鄰兩匝線圈時單位長度分布電容表達式為:
a.jpg
其中,C為單位長度分布電容值;ε為兩線圈間介質的介電常數;s為長為單位長度、寬為線徑的等效對立面積;d為兩線圈中心間距。為減小兩線間分布電容,減小ε和s,增加d。
2 傳統(tǒng)繞制線包和PCB線圈的比較
為方便比較,兩種工藝繞制的變壓器均采用如下相同參數:
工作模式:全橋拓撲;工作頻率:150 kHz;輸入電壓/電流:50 V/3A;初級匝數Np:4匝;8個輸出次級匝數Ns1~Ns8:68匝,68匝,68匝,68匝,62匝,62匝,62匝,62匝;次級線徑/線寬:0.2mm;磁芯:PQ40;絕緣等級:初級和次級及次級和磁芯間耐壓大于8kV DC;絕緣處理:均采用0.05 mm厚的聚酯薄膜膠紙。
2.1 線包繞制工藝
高壓變壓器的線包繞制工藝如下:
(1)采用直徑為16 mm的圓柱型繞線骨架,所有繞線距骨架的上下都應有4mm以上留邊距離;
(2)初級采用寬6 mm×厚0.05 mm的銅箔,次級均采用線徑為0.2 mm的漆包線,繞完初級后依次繞次級,所有次級均一層內繞完;
(3)初級/磁芯中柱間絕緣要求的聚酯薄膜為24 mm×0.05 mm×2層,初/次級組間、次級組間及Ns8次級與外磁芯絕緣要求的聚酯薄膜為24 mm×0.05 mm×6層;
(4)所有次級要一層繞完,初次級出線端頭應伸出50 mm左右;
(5)初級出線和次級出線分別繞中柱兩邊,Ns1~Ns4出線和Ns5~Ns8出線分別位于磁芯一邊中的上下部位。
圖1所示為傳統(tǒng)方法繞制的線包實物圖。
2.2 PCB線圈繪制
線寬采用0.2 mm,線間距為0.3 mm;由于PQ40磁芯窗口寬度為11 mm,在預留足夠絕緣空間的情況下PCB每層最多布置17匝線圈,這樣每個次級繞組均需4層。如果全部初次級印制在同一塊PCB板中,就有(4層×8+2層)34層,這樣不僅成本太高,而且體現不出多層PCB板“薄”的優(yōu)勢,所以,PCB板采用單層雙面聚四氟乙烯板,厚0.5 mm,且雙面迭繞線圈,每組次級線圈均需兩塊PCB板。采用DXP2004軟件繪制的PCB線圈圖如圖2所示。限于篇幅,圖2中只示出Ns1中一塊PCB板的正背面。
2.3 分布電容大小的確定
從變壓器初級視入,分布電容和初級電感構成了并聯(lián)諧振回路,所以可以通過網絡分析儀測得此諧振回路的諧振頻率,然后通過下式計算確定分布電容的大小:
d.jpg
其中,f為諧振頻率,L為初級電感量,C為分布電容。表1所列為上述變壓器的靜態(tài)參數測試結果。
由表1數據可知,PCB線圈變壓器在分布參數上均優(yōu)于線包繞制變壓器。這歸因于PCB線圈易于控制線間距和層間距
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