开关电源中如何通过改善变压器工艺提高开关电源可靠性

1 引言

在开关电源中，高频变压器是进行能量储存和传输的重要部件。一个高频变压器应具有漏感小、线圈分布电容小，各线圈之间的耦合电容也要小的特点。本文阐述通过改善变压器的加工工艺来减小漏感和线圈本身的分布电容，提高开关电源的可靠性。

2 初级线圈的漏感和分布电容

在高频变压器设计时，变压器的漏感和分布电容必须减至最小，因为开关电源中高频变压器传输的是高频脉冲方波信号。在传输的瞬变过程中，漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压，以及顶部振荡，造成损耗增加。虽然在开关晶体管的漏极上增加钳位和吸收电路可以克服尖峰电压，但过大的尖峰会导致钳位和吸收电路损耗的增加，使开关电源的效率降低，严重时会导致功率开关管的损坏。通常变压器的漏感，控制为初级电感量的1%～3%。

2.1 初级线圈的漏感

变压器的漏感是由于初级线圈和次级线圈之间，层与层之间，匝与匝之间磁通没有完全耦合而造成的。在变压器绕制加工中可采取下列措施。

(1) 尽量减少绕组的匝数，选用高饱和磁感应强度、低损耗的磁性材料。

(2)增加线圈尺寸的高度和宽度之比。

(3)尽可能减小绕组间的绝缘厚度，但必须保证变压器本身有足够绝缘强度。

(4)采用分层交叉绕制方式绕制初级、次级绕组。

(5)采用环型磁心变压器时，不管初级、次级绕组的匝数有多少，在绕制绕组时，均沿环型圆周均匀分布地绕制。对于大电流工作状态下的环型磁心变压器，采用多绕组并联方式绕制，并且尽可能地减小线径。

(6)改善线圈之间的耦合程度。

(7)在输入电压不太高的情况下，初级、次级绕组采用双线并绕的加工工艺。

其中减少初级线圈的匝数及增加线圈尺寸的高度和宽度之比，与所选择的磁心形状有关。如果磁心放置线圈的心柱尺寸足够大，足以能使初级绕成两层，甚至绕成一层的话，就可以有效地减小初级的漏感及分布电容的值。高频变压器适于采用中间心柱较长的磁心，不适合采用矮胖形状的磁心。在上述措施中变压器绕组的匝数不能减得太少，否则当输入电压太高，或者脉冲太宽时，会引起磁心饱和，导致变压器绕组的电感值急剧降低，绕组对交流电流的限流作用降低，严重时进入短路状态，在微秒的时间里，有几十乃至几百安培的电流通过半导体器件，使之失效。

2.2 分布电容

变压器绕组线匝之间，同一绕组的上、下层之间，不同绕组之间，绕组与屏蔽层(或磁心)之间形成的电容称为分布电容。开关变压器分布电容主要由下面几部分组成。

(1) 各绕组与屏蔽层(或磁心)之间的分布电容。

(2)各绕组线匝之间的分布电容。

(3)绕组与绕组之间的分布电容。

(4)各绕组的上、下层之间的分布电容。

在开关电源的晶体管通、断期间，线圈的分布电容被反复地充电和放电，其能量都被钳位和吸收电路所消耗，降低了开关电源的效率。此外，线圈的分布电容还与线圈的漏感一起形成LC振荡，产生振铃噪声。要减小分布电容可以采取下列措施：

(1) 绕组进行分段绕制;

(2)正确安排绕组的极性，以减小各绕组之间的电位差;

(3)初级、次级绕组之间增加静电屏蔽措施;

(4)选择漏磁势组数M=4。