高频变压器分布电容影响因素研究

发表时间：2017-12-25T10:36:10.893Z 来源：《电力设备》2017年第24期 作者： 张少磊 淮永亮 苏晓敏

[导读] 摘要：高频高压变压器的微小分布电容对变压器的性能和带有变压器的高频高压电源的性能有着重要影响,分布电容会加大变压器的损耗,降低了变换器的功率因数和效率。

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摘要：高频高压变压器的微小分布电容对变压器的性能和带有变压器的高频高压电源的性能有着重要影响,分布电容会加大变压器的损耗,降低了变换器的功率因数和效率。文中分析了高频高压变压器匝间电容和层间电容的大小对高频高压变压器的电压分布和可靠性的影响,指出减小层间分布电容和降低单层电压对变压器的可靠运行的重要意义。通过对不同绕组结构型式下的层间分布电容大小的分析和比较,指出采用“Z”型绕法和“∠”型绕法能够进一步减小高频高压变压器的层间分布电容,同时降低了变压器的绝缘要求,大幅改善高频高压变压器的电压分布,提高了变压器的绝缘耐压水平和可靠性。 关键词：高频变压器；分布电容；影响因素 1高频高压变压器分布电容的存在

在同容量的高频变压器和工频变压器中,由于高频变压器的匝数远小于工频变压器,其分布电容比工频变压器分布电容要大得多;由于高频变压器工作频率较工频变压器高出许多倍,因此高频变压器由分布电容形成的容纳将远远小于工频变压器的容纳,这对高频高压电源的特性和运行十分不利。因此,高频变压器的分布电容是不能被忽略的。故高频工作时变压器等效模型就不能采用工频时等效模型(其模型忽略了分布电容)。对于高频升压变压器为减小变压器体积,减少漏抗,往往采用高导磁率铁磁材料,因此,变压器原边匝数相对较少,且通常为单层,原边匝间距离较大,故原边分布电容往往可以忽略。同时,为消除变压器原边和副边电容耦合而产生电磁干扰,高频高压变压器还设有屏蔽绕组,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。但由于升压比较大,高压侧分布电容却是不能被忽略的。忽略铜耗和铁耗以及变压器的激磁电抗,实际的高频升压变压器的等效电路。变压器的分布参数主要是漏感和分布电容,由于高频变压器采用绝缘性能好的软磁材料作磁路,分布电容主要是匝间电容和层间电容。绕组匝数越多,匝间分布等效电容就越小,层数越多,层间等效分布电容就越小。但变压器的漏感随着匝数和层数的增多而加大。因此减小漏感和减小等效分布电容是不可能兼得的。减小分布电容的同时增大了变压器漏感,减小漏感的同时却增大了等效匝间分布电容。

2变压器分布电容对反激变换器的影响

图1是考虑寄生电容后的高压输入低压输出ＲCD箝位反激变换器拓扑。其中，L1，Lm分别表示原边漏感和磁化电感，C1_1为原边绕组分布电容，C1_2，C01_2分别表示原边与副边绕组不同接线端之间的分布电容。反激变换器的工作原理是:当开关晶体管被激励导通时，输入电压加到变压器初级绕组，初级绕组流过电流。由于变压器次级整流二极管反接，次级绕组无电流流过，能量在变压器电感中以磁能的形式储存起来。当开关晶体管截止时，变压器感应电压与输入电压反相，使整流二极管导通，变压器储存的能量释放出来，供负载及电容器充电。

图1考虑分布电容时反激变换器拓扑

图1电路是采用ＲCD箝位电路来吸收漏感能量，控制开关管关断电压尖峰。另外，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，此时分布电容对电路性能影响很大。变压器分布电容对电路的影响主要有:第一，在开关转换时，绕组电压发生变化，继而分布电容中的能量发生变化，因此就会在变压器内部和主电路回路中产生高频的振荡环流，增加变压器以及功率器件的功率损耗，并且产生高频电磁辐射。如果采用峰值电流控制，将影响电流采样的正确性，从而对电源的稳压精度、稳定性以及损耗产生较大影响。因此原副边绕组的寄生电容会对电路产生影响。第二。开关管开通速度越快，绕组电压的变化速度就越快，从而绕组分布电容中的能量流动也会越快。开关管开通速度较慢，虽然能够减小分布电容引起的电流尖峰幅值，但会使尖峰持续时间变长，为此需采用较大的滤波元件，造成电流的相移，不利于系统闭环设计。第三，变压器绕组电压越高，分布电容储存的能量越大，在开关管导通瞬间会导致原边电流前沿产生尖峰。在电压变化率一定的情况下，变压器分布电容越大，原边电流也就越大，进而影响开关管工作的可靠性，甚至造成开关管的毁坏。第四，可以利用变压器分布电容作为并联谐振电容。所以基于以上分析，应对变压器分布电容进行合理控制。因此，为了保证变压器在高频时具有良好的性能，必须考虑寄生参数的影响，研究影响变压器寄生参数的因素。本文通过研究不同的绕组连接方式和绕组排列布局对分布电容大小的影响，给出了改变分布电容大小的方法。 3变压器绕组电压分布情况分析

高频高压变压器,副边绕组匝数较多,由多层串联而成。在高频交流电压下,变压器的绕组电压分布并不呈均匀分布,而且匝间电压的分布并不相等,其电压分布情况与绕组匝间电容和层间电容的大小密切相关。 4消除干扰的措施

采用KVVＲP10×1.5mm2的带屏蔽层的控制电缆，将屏蔽层接地，可消除大电流动力电缆对控制电缆的影响;而长距离的交流控制电路分布电容的存在是不能避免的，我们只能够采取适当的措施来降低电容对控制电路的影响。第一，采用传输距离较远的电缆线芯。这可以增加线路容抗，降低继电器线圈电压，从而避免继电器误动作。经实测，在实际应用中，这种方法的效果不明显。第二，改用释放电压下限较高的中间继电器。继电器释放电压下限越高，其抗线路电容干扰能力越强，不容易产生误动作。这种方法需要更换继电器，故没有优先选择。第三，采用直流控制，如控制电源取DC24V。电缆中通过直流电流时，因电容具有“通交流、阻直流”的特性，故只需要考虑电缆电阻对电压的影响，从而可以避免继电器受分布电容影响而误动作。对于已经完工的工程来说，这种方法需要增加直流电源，并更换大量继电器，所以也没有优先选择。第四，减小继电器线圈两端由电缆分布电容引起的分压。在继电器线圈两端并联耐压等级较控制电压高一级的电容器或电阻器，所选电容器的容抗要小于电缆分布电容的容抗，电容值可现场试验确定。 5 结束语

为减少变压器分布电容,高压侧采用多个绕组串联方式,在每个绕组层数一定的情况下,绕组个数越多,等效分布电容就越小。采用“∠”型或“Z”型绕组结构能够有效降低等效分布电容,在单层匝数不多时这种效果更明显,而且提高了变压器的绝缘等级。因而,多层多绕组结构和采用“∠”型或“Z”型绕组结构能够有效减小高频高压变压器的分布电容,提高变压器的频率特性,同时提高了变压器的绝缘水平。 参考文献

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