变压器的漏感与分布电容影响分析
高频变压器设计时的漏电感和分布电容的探究
开发研究高频变压器设计时的漏电感和分布电容的探究广东省东莞市大忠电子有限公司曹洪武摘要：电源、家电、通讯等使用的高频变压器,通常需要控制漏电感、分布电容等电性参数。
设计时，为了降低成本，选择常规材料是首选;为了有竞争力也会选用常规结构，这样可以省工时。
但随着技术的提升，终端产品要求的提高,对相应的零部件等的要求也提高了，因此元器件也随着终端产品的要求而提高。
高频变压器的技术也在提高，变压器的参数达到更好地配合终端产品，除了材料方便的选择，还有结构方面也可以调整,配合达到终端产品的要求。
本文对高频变压器设计时的漏电感和分布电容展开了研究,具有一定的参考借鉴价值。
关键词:变压器;漏电感;分布电容0 引言设计变压器时候，需要综合考虑材料、性能、结构和成本等要素，以充分满足其性能。
但变压器的漏电感与分布电容不容易同时满足,一般情况漏电感减小，那么分布电容就会上升，而分布电容减小,那么漏电感就会上升。
因此，在设计变压器时，针对不同的变压器，选择不同的材料,也要选择不同的结构，这样选择才能更好达到性能要求，更适合终端使用。
(1) 漏电感是变压器中一次绕线与二次绕线的耦合系 数。
数值较小时，构成变压器的绕线的一部分不会有变压作用，而是与Choke Coil有等效成分所产生的。
若一次绕线与二次绕线完全耦合（耦合系数k=l)为理想的变压器时，漏电感数值为零。
但一般变压器的耦合系数多为1以下，因为未完全耦合，所以绕线的一部分才会有电感的功能。
(2)分布电容是指由非电容形态形成的一种分布参数。
带电电缆、变压器对地都有一定的分布电容，而分布电容大小取决于电缆的几何尺寸、电缆的长度和绝缘材料等，它由2个存在压差而又相互绝缘的导体所构成。
1变压器中有漏电感和分布电容一般在变压器中存在不少于2个绕组，由定义可以看出变压器中存在着2个参数，就是漏电感和分布电容。
变压器初级与次级至少各1个绕组,有的变压器初级与次级超过2个绕组以上，因此变压器中就存在了漏电感和分布电容。
变压器磁芯的漏磁分析
磁位差最大 c 漏磁 Iin s
lw
F磁势（A）
l w /2
IN
l F=IN I out
0
l w /2
Ucx (0-x磁阻压降，A)
l
x IN
0
N
Ux (某点x的磁位，A)
0
l
x
x>0 x=0 x=lavg
l w /2 l w /2
l x
（3）带气隙均匀绕制的环形磁芯磁场 磁芯和气隙磁阻
I
x=0
l
U (A) cx
x(cm)
x=l
N
0 Ux(A)
0 l l
NI(A)
x(cm)
x(cm)
Fx —— 0→x 段磁路所匝链的线圈磁势 Ucx —— 0→x 段磁芯的磁阻压降 Ux——磁路中某x点相对于参考点的磁位差
0-x段线圈的匝数
F(A) x
A
0
NI(A)
I
x=0
N x Nx / l
F(A) x
A
0
NI(A)
I
x=0
l
U (A) cx
x(cm)
x=l
N
0 Ux(A)
0 l l
内强
NI(A)
x(cm)
x(cm)
外弱
前述磁芯磁场分布是沿平均周长方向获得，而 沿磁芯径向的磁场分布是不均匀的，磁芯中的 磁场分布是内强外弱，且在边界处发生突变。
（2）集中绕线的等截面环形磁芯 lw 线圈长度
二、高频变压器线圈中的电磁现象 1、集肤效应
2、线圈磁场和邻近效应
3、邻近效应对多层线圈的影响 4、线圈寄生电容
1、集肤效应
变压器的分布电容分析
变压器的分布电容分析开关电源变压器的分布电容 开关变压器初、次级线圈的分布电容，对开关电源性能指标的影响也很重要，它会与变压器线圈的漏感组成振荡回路产生振荡。
当输入脉冲电压的上升或下降率大于振荡波形的上升或下降率的时候，振荡回路就吸收能量，使输入脉冲波形的前、后沿都变差；而当输入脉冲电压的上升或下降率小于振荡波形的上升或下降率的时候，振荡回路就会释放能量，使电路产生振荡。
如果振荡回路的品质因数比较高，电路就会产生寄生振荡，并产生EMI 干扰。
另外，开关电源电压输入回路的滤波电感，其分布电容的大小对EMC 指标的影响非常大，因此在这里也需要对滤波电感线圈的分布电容构成以及原理有充分的理解。
从原理上来说，滤波电感线圈的分布电容与开关变压器线圈的分布电容基本上是没有根本区别的，因此，对变压器线圈分布电容的分析与计算方法，对滤波电感线圈同样有效。
开关变压器初、次级线圈的分布电容与结构有关，因此，要精确计算不同结构的开关变压器初、次级线圈的分布电容难度比较大。
下面我们先以最简单的双层线圈结构的开关变压器为例，计算它们的初级或次级线圈的分布电容。
图2-41是分析计算开关变压器线圈之间分布电容的原理图。
设圆柱形两层线圈之间的距离为d ，高度为h ，平均周长为g。
假定两层线圈之间沿高度的电位差为线性变化，即：Ux=Ua+(Ub-Ua) x/h （2-112）式中：Ux为两层线圈之间沿高度变化的电位差，Ua、Ub 分别为x=0和x=h处对应的电位差。
通常Ua=0 ，或Ua=Ub 。
设两个线圈相对应的两表层间的电场近似均匀分布，即近似平板电容器的电场，那么，根据（2-112）式就可以求得该电场贮存的能量为：式中， Cs变压器初级或次级两层线圈之间的分布电容；U为变压器两层线圈之间的工作电压；Ua、Ub 分别为x=0 和x=h 处对应的电位差。
对于变压器初级或次级仅有两层的线圈，它只有两种接法，如图2-42所示。
在图2-42-a中，Ua=0 ，Ub=U2-U1=U ；在图2-42-b 中，Ua=Ub=(U2-U1)/2=U/2 。
高频变压器分布电容研究综述
高频变压器分布电容研究综述变压器寄生参数、分布参数在高频下对变压器的影响成为制约高频、高磁导率、小体积变压器研究的重要因素，也是该领域研究的重点。
本文对近几年高频变压器分布电容的研究情况进行了总结，首先重点介绍了现有的高频变压器模型，并分析了高频变压器分布电容对电路的影响，最后总结了抑制分布电容的方法。
同时文章指出该领域今后的研究方向：磁导率与寄生参数以及EMI直接之间的关系。
标签：开关电源；高频变压器；分布电容；模型；抑制措施0 引言随着磁性材料以及开关电源技术的不断发展，变压器逐渐呈现出磁导率高、频率高以及体积小的特点[1～2]。
在变压器高频化、小型化的过程中，一些在低频情况下被忽略的问题越来越重要，如漏感、分布电容。
这些寄生参数在高频下的影响越来越显著，甚至可能严重影响开关电源的性能[3～4]。
应用普通的变压器模型无法描述和解释高频下的一些电路现象，研究变压器高频下的等值模型以及寄生参数对电路的影响机理，以寻求抑制寄生参数的影响，成为该领域广泛关注的重点。
近几年，很多学者对高频变压器的寄生参数、分布参数进行了大量的研究。
本文主要从含分布电容的高频变压器模型、分布电容对电路的影响及其抑制措施三个方面的研究情况进行了总结。
1 考虑分布电容的高频变压器模型目前，国内外研究人员在高频变压器建模方面做了大量的研究，提出各种不同的高频变压器的模型。
这些建模方法主要分为三种，第一种是采用数值分析法，该方法适合于变压器设计但.是需要大量的关于变压器几何尺寸、电磁特性信息；第二种方法，根据变压器的静电学的行为对分布电容建模，该方法是根据静电学的特性，将工作在线性状态下的变压器看做一个端口网络，然后根据端口网络特性来求解相关模型参数，因此该方法具有建模简单，容易理解的特点；第三种方法，通过应用集总等效电容来对变压器的分布电容的物理效应进行建模。
应用该方法建立的模型，其模型中参数的物理意义明确，比较适合从工程角度对变压器进行分析。
详解开关电源变压器的漏感
详解开关电源变压器的漏感任何变压器都存在漏感，但开关变压器的漏感对开关电源性能指标的影响特别重要。
由于开关变压器漏感的存在，当控制开关断开的瞬间会产生反电动势，容易把开关器件过压击穿;漏感还可以与电路中的分布电容以及变压器线圈的分布电容组成振荡回路，使电路产生振荡并向外辐射电磁能量，造成电磁干扰。
因此，分析漏感产生的原理和减少漏感的产生也是开关变压器设计的重要内容之一。
开关变压器线圈之间存在漏感，是因为线圈之间存在漏磁通而产生的;因此，计算出线圈之间的漏磁通量就可以计算出漏感的数值。
要计算变压器线圈之间存在的漏磁通，首先是要知道两个线圈之间的磁场分布。
我们知道螺旋线圈中的磁场分布与两块极板中的电场分布有些相似之处，就是螺旋线圈中磁场强度分布是基本均匀的，并且磁场能量基本集中在螺旋线圈之中。
另外，在计算螺旋线圈之内或之外的磁场强度分布时，比较复杂的情况可用麦克斯韦定理或毕-沙定理，而比较简单的情况可用安培环路定律或磁路的克希霍夫定律。
在设铁芯的截面积为S，S=πr2;初级线圈的截面积为S1，S1=πr21;次级线圈的截面积为S2，S2=πr22;初级线圈与铁芯的间隔截面积为Sd1，Sd1=S1-S;次级线圈与初级线圈的间隙截面积为Sd2，Sd2=S2-S1;电流I1流过初级线圈产生的磁场强度为H1，在面积S1之内产生的磁通量为φ1，在面积Sd2之内产生的磁通量为φ1’;电流I2流过次级线圈产生的的磁场强度为H2，磁通量为φ2。
由此可以求得电流I2流过变压器次级线圈N2产生的磁通量为：电流I2流过变压器次级线圈N2产生的磁通量(2-95)、(2-96)式中，μ0sd2H2=φ2就是变压器次级线圈N2对初级线圈N1的漏磁通;因为，这一部分磁通没有穿过变压器初级线圈N1。
漏磁通可以等。
变压器漏感
变压器漏感产生的因素：1.绕线的方式2.绕线时是否采用屏蔽铜皮，绕线的紧密程度等有关系。
3.变压器所使用的材质不同，漏感也会有所区别。
4.变压器是否开气隙对漏感影响也非常大。
由于气隙的原因，气隙之间会存在一个相对的大气空间，磁力线通过气隙空间时会向四周扩散，也就是漏磁!气隙越深，漏感会越大;5.变压器绕组材料和圈数，对漏感也有些影响。
线径的大小、普通漆包线和纱包线等对变压器的漏感的影响也不一样。
线径越小绕制越紧密、绝缘性能越好漏感会相应降低!线圈的匝数越多漏感也会越大。
6.变压器工作频率低，测试漏感的频率低，也是漏感大的因数。
解决变压器产生漏感的方法：1.变压器绕线方法，具体的绕线方式如下：(1)双线并绕法：将初、次级线圈的漆包线合起来并绕,即所谓双线并绕.这样初、次级线间距离最小,可使漏感减小到最小值.但这种绕法不好绕制,同时两线间的耐压值较低.(2)逐层间绕法：为克服并绕法耐压低、绕制困难的缺点,用初、次级分层间绕法,即1、3、5行奇数层绕初级绕组,2、4、6等偶数层绕次级绕组.这种绕法仍可保持初、次级间的耦合,又可在初、次级间垫绝缘纸,以提高绝缘程度。
(3)夹层式绕法：把次级绕组绕在初级绕组的中间,初级分两次绕.这种绕法只在初级绕组中多一个接头,工艺简单,便于批量生产.为减小分布参数的影响,初级采用双线并绕连接的结构,次级采用分段绕制,串联相接的方式,即所谓堆叠绕法或者叫三明治绕法。
降低绕组间的电压差,提高变压器的可靠性。
还有平绕法、乱绕法等其他方法。
这两种绕线方法由于漏感与上述的绕线方法相比会相对偏大，所以一般不采用。
2.采用屏蔽铜皮漏感会相应减少。
绕线越紧，漏感一般越小。
为了减少变压器初、次级线圈之间的漏感，在绕制变压器线圈的时候可以把初、次级线圈层与层之间互相错开。
3.材质选择不同，例如PC95材质和PC40材质;由于这两种材质的磁导率和饱和磁感应强度不一样，在进行变压器设计时变压器的初次级线圈的匝数和工作磁场都会不一样。
分布电容的产生和影响
分布电容的产生和影响摘要：在电感线圈和地间、匝和匝之间都会有分布电容的存在，它的产生和存在会给线圈品质因数、总损耗电阻等带来明显的变化。
而在变压器中，分布电容则存在于初次、次级之间，它会通过变压器来耦合，这就直接对变压器的高频隔离性能，造成了影响。
基于上述种种情况的产生，本文将针对分布电容的产生和影响，进行详细的阐述与探究。
关键词：分布电容；产生；影响前言：分布电容的产生除了会对电感线圈、变压器等造成影响之外，对于电容式油量传感器输出变压器的影响，也是十分显著的。
电容式油量传感器的输出变压器层间分布电容，会直接影响音频信号其抗电磁干扰能力的高频，并使信号其衰减，进而就会使整个频带内的音频信号，出现不均匀传输的情况。
由此也就能够看出分布电容产生，所造成的影响。
1分布电容的产生分布电容的产生、存在位置，是在两个存在电压差，但是这二者之间又相互绝缘的导体之间。
而分布电容本身所指的是由非电容形态形成的一种分布参数。
由此也就能够得出，“分布电容”是在任意电路中存在的，需要进行区分的，仅仅是分布电容大小的问题[1]。
一旦处于高频率的情况中，分布电容所产生的影响，就需要相关工作人员，进行重点的关注，尤其是在精密仪器的运转、高频电路的运行中，需要特备特别注重相应控制措施的采取与利用，这样才能够有效降低因分布电容而造成的影响。
其中，需要重点关注的是，分布电容的大小由电缆的绝缘材料、长度尺寸等决定。
例如，在两根传输线间，每根都被空气介质隔绝了与地的连接，因此，也就有电容的产生和存在。
2分布电容的产生的影响分析2.1交流电机中分布电容的影响电机本身具备价格低廉、结构简单、环境适应能力强等优势，在工业生产的应用中，十分广泛。
而在变频技术得到充分利用之后，逆变器的电力电子器件，在高速开通与关断的过程中，所产生谐波电压频率，在PWM变频器的倍数频率、载波频率附近，是比工频频率（50Hz）要大出许多的。
而这部分谐波电压的产生，就会和电机分布电容之间，有回路的构成。
漏感与分布电容对输出波形的影响(二)
漏感与分布电容对输出波形的影响(二)
在图2-45中，图4-5-a是电源开关管Q1导通时，输入电压U加于开关变压器两端的电压波形；图4-5-b是励磁电感或分布电容两端的电压波形；图4-5-c，是电源关管D、S两极之间的电压波形。
在t0时刻，电源开关管Q1开始导通，输入电压U加于开关变压器两端，输入电压首先通过分布电感Ls对分布电容Cs充电，此时，由于输入电压的上升率大于分布电感Ls与分布电容Cs充、放电电压的上升率，所以，分布电感和分布电容是从输入电压吸收能量的，其充电过程按正弦曲线上升。
到t1时刻，流过Ls的电流达到最大值，同时分布电容Cs两端的电压与输入电压U相等，即Ls两端的电压为0，但流过Ls的电流不能为0，Ls将产生反电动势继续给电容Cs充电。
此时，输入电压的上升率小于分布电感Ls 与分布电容Cs充、放电的电压上升率，所以分布电感和分布电容是释放能量的，即：分布电感和分布电容在t1时间之后会产生阻尼振荡。
直到t2时刻，流过Ls的电流等于0，电容器Cs充电结束，同时Cs两端的电压也达到最大值，然后电容按正弦曲线开始放电，流过Ls的电流开始反向。
到t3时刻，Cs两端的电压又与输入电压U相等，电容停止放电，但流过Ls的电流不能为0，Ls将又产生反电动势给电容Cs进行反向充电，使Cs两端的电压低于输入电压U。
到t4时刻，流过Ls的反向电流等于0，Cs两端的电压达到最低值，然后输入电压又开始通过Ls对Cs进行充电，到此分布电感Ls与分布电容Cs第。
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变压器的漏感与分布电容影响分析
漏感与分布电容对输出波形的影响开关电源变压器一般可以等效成图2-43所示电路。
在图2-43中，Ls为漏感，也可称为分布电感，Cs为分布电容，为励磁电感，R为等效负载电阻。
其中分布电容Cs还应该包括次级线圈等效到初级线圈一侧的分布电容，即次级线圈的分布电容也可以等效到初级线圈回路中。
图2－43 开关电源变压器等效电路设次级线圈的分布电容为C2，等效到初级线圈后的分布电容为C1，则有下面关系式：上式中，Wc2为次级线圈分布电容C2存储的能量，Wc1为C2等效到初级线圈后的分布电容C1存储的能量；U1、U2分别为初、次级线圈的电压，U2 = nU1，n = N2/N1为变压比，N1 、N2分别为初、次级线圈的匝数。
由此可以求得C1为：C1 = n2C2 （2-121）（2-120）式不但可以用于对初、次级线圈分布电容等效电路的换算，同样可以用于对初、次级线圈电路中其它电容等效电路的换算。
所以，C2亦可以是次级线圈电路中的任意电容，C1为C2等效到初级线圈电路中的电容。
由此可以求得图2-43中，变压器的总分布电容Cs为：Cs = Cs1 + C1 = Cs1 +n2C2 （2-122）(2-122)式中，Cs为变压器的总分布电容，Cs1为变压器初级线圈的分布电容；C1为次级线圈电路中总电容C2（包括分布电容与电路中的电容）等效到
初级线圈电路中的电容；n = N2/N1为变压比。
图2-43开关变压器的等效电路与一般变压器的等效电路，虽然看起来基本没有区别，但开关变压器的等效电路一般是不能用稳态电路进行分析的；即：图2-43中的等效负载电阻不是一个固定参数，它会随着开关电源的工作状态不断改变。
例如，在反激式开关电源中，当开关管导通时，开关变压器是没有功率输出的，即负载电阻R等于无限大；而对于正激式开关电源，当开关管导通时，开关变压器是有功率输出的，即负载电阻R既不等于无限大，也不等于0 。
因此，分布电感与分布电容对正激式开关电源和反激式开关电源工作的影响是不一样的。
图2-44和图2-45分别是开关电源变压器与电源开关管连接时的工作原理图和各点工作电压的波形图。
在图2-44中，当开关管Q1导通时，无论是对正激式开关电源或反激式开关电源，分布电感Ls都会对流过开关管Q1的电流Id起到限制作用，即降低Id的电流上升率，这对保护开关管是有好处的；因为，开关管刚导通的时候，电流在管芯内部是以扩散的形式由一个点向整个面扩散的，如果电流上升率太大，很容易使开关管因局部面积电流密度过大造成损伤。
分布电感Ls和分布电容Cs可以看成是一个串联振荡回路，当开关管Q1开始导通的时候，输入脉冲电压的上升率大于串联振荡回路自由振荡电压的上升率，因此，振荡回路开始吸收能量，输入电压对Ls和Cs进行充电，此时，振荡
回路会抑制输入电流上升率的增长；当开关管Q1完全导通以后，脉冲进入平顶阶段，相当于输入脉冲电压的上升率为0，此时，输入脉冲电压的上升率小于串联振荡回路自由振荡电压的上升率，因此，振荡回路开始释放能量，振荡回路产生阻尼振荡。
当开关管Q1导通过后，开关管开始关断，相当于输入脉冲电压的上升率为负，脉冲进入反冲阶段，此时，输入脉冲电压的上升率小于串联振荡回路自由振荡电压的上升率，因此，振荡回路又开始再次释放能量，振荡回路再次产生阻尼振荡。