工程师实践：大功率高压高频变压器的电容及漏感设计

大家都知道，在高压开关电源中，实现能量的存储和传递、用以隔离和升压的高频变压器是项目设计的关键和难点，其性能的好坏不仅直接影响到输出是否产生波形的畸变及能量传输的效率，它在绝缘、寄生、损耗、电晕放电及整流等方面与其它普通变压器有着明显的不同，我们就如何提高此类变压器的可靠性、降低分布参数(漏感、分布电容)，提高生产工艺进行探讨。

1.分布电容

在变压器中，由于两个导体之间分布或寄生的电气耦合，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着某一线长度方向的电位分布是变化的，这样就形成了分布电容，由下式表示：

式中：M为分段的段数;N为每段的层数; Co为静态电容(pf);U为层间的电位差;UP为初级电压。

高频变压器的分布电容主要是由绕组对磁芯(或对屏蔽层)分布电容、各绕组之间分布电容、绕组与绕组之间分布电容、以及初、次级之间分布电容四部分组成(其中初、次级之间的分布电容由于高频高压变压器基本都设有屏蔽绕组，由于屏蔽层的存在，大大减小了原副边耦合电容，其影响可以忽略)。电容量的大小主要取决于绕组的几何形状。高压变压器一般会有比较大的匝数比，二次绕组的匝数较多，将产生较大的分布电容。对于二次侧来说，分布电容可达到匝数比平方的数倍，导致无效电流通过二次绕组，从而使变压器效率降低。

目前在高频高压变压器制作过程中，为尽量减小其分布电容，次级绕组一般采用分层、分段或分线包绕制，即将次级绕组分为多 个线包，各线包之间串联连接，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。

“]”型、“∠”型、“Z”型三种不同的绕组结构及分槽绕制结构示意图

2.几种可以在一定程度上减小分布电容的方法：

1)、一般而言：采用U型绕法，绕线简单，但上下层相邻匝间的最大电压差大，分布电容储存的能量就很大，从而绕组的端口等效电容较大;

2)、采用Z型绕法，绕线稍复杂些，但线圈上下层相邻匝间压差变小，绕组的端口等效电容明显减小。

3)、若要进一步减小绕组分布电容，则可采用分段绕法。分段方法是将原来的线圈匝数分成相等的若干份，线圈间的最大电压差就只有输入电压的若干分之一，分的段数越多，线圈间的最大电压差越小，绕组等效分布电容就越小。

4)、另外，还有一种所谓的累进式绕线方法，就是先绕第1层的一部分，再在第1层上绕回去，形成第2层的一部分，这样交替绕制第1层线圈与第2层线圈，设累进的圈数为n，则线圈间的最大电压就是1/n。不过这种方法并不常见。一般来讲，减小分布电容的绕制方法都可以减小导线间的绝缘应力。

一个2层绕组的线圈，如分别采用上述4种绕法，累进式绕法减小绕组分布电容的效果最佳，两段式绕法次之，U型绕法最差，Z型绕法介于中间。

3.影响漏感的因素

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。

由于大功率、高压、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。一次绕组和二次绕组之间需要有效的绝缘厚度或距离，以避免电场击穿。因此，一次绕组和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。对于一次侧来说，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，如要保证足够的绝缘距离，就会有寄生电感产生。影响漏感的因素有：

（1）变压器的结构形式及尺寸;