高频高压变压器分布电容的分析与处理
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。
变压器分布电容对高频高压反激变换器的影响及其抑制措施
的一 些 特殊 现象 ， 必须 采用 同时考 虑 漏感 和分 布
电容 的变压 器模 型 ， 逼 近真 实 情况 。 来 文 献 ［ ］ 出 四种 仅 考 虑 分 布 电 容 时 的变 压 器 ６给 模型 ， 这些 模 型具有 不 同的精 度 ， 用 于开 关 电源 的 适 Ｅ 传 导 分析 ， 不 适 合 于 实 际 电路 分 析 。采 用 有 ＭＩ 并
绕 组 之 间的分 布 电容 。
Ｃｓ ｌ ２
２ 计 及 分 布 电 容 的 变 压 器 模 型
很多 文献 在讨 论变 压器 寄 生参 数对 反激 变换 器 整机 工作 的影 响时 ， 只对 漏感 进 行 了详 细 的讨论 ， 而 忽 略 了分 布 电容 的影 响 ， 在 开 关 频 率 相 对 较 低 情 这 况 下 尚可 接受 ， 随着 开 关 频 率 的 提高 及 输 入 输 出 但 电压 等级 的提高 ， 布 电容 对 整 机 工作 的影 响 程 度 分
数—— 分 布 电容 对 电路 工 作 的 影 响 进行 研 究 ， 讨 探
变压 器漏 感 与分布 电容 的有 效控 制 措施 及合 理 匹配 方案 ， 而 优化 整 机 性 能 。首 先 给 出计 及 漏 感 和 分 从
布 电容 的变压器 模 型 ， 而 给 出 了变 压 器 分 布 电 容 继 对 电路工 作 的影 响 ， 分析 了具体 的工作模 态 ， 从而 归
通过 实验验 证 了文 中分 析 的正确 性及 抑制 方 法的 实用 性 。 关键 词 ： 布 电容 ； 激 变换 器 ；高频 高压 ；斜坡 补偿 分 反
中 图分 类 号 ：Ｔ ４ Ｍ６ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ ．０６２０ ）４０ ６．４ ０３３７ （０ ６０ ． ７０ ０
分布电容对变压器内参数影响不可忽略性分析
其 相介常 ， 垂投面 ， 饼意邻 间容 ＝ ＝ 中 是对 电数ｓ 直影积 每任相 匝电为 等． ． 为 有
１３ 变压器分布电容整体 图及等效 电路分析 ． 设每饼 的电感 、 纵向分布 电容及横向分布 电容分别为 Ｌ， ｉ Ｃ ， Ｃ 代表每饼边匝的对地电容 Ｋ ， 而 ｏ （ 其它匝的对地电容被边匝所屏蔽） 。本文在讨论分布电容时忽略 了 Ｃ 的效应 。变压器的整体分布电 ｏ
１２ 纵 向分布 电容 ．
ｒ 十 ｒ ３ ４
２ ２ ［ ）一ｙ ４ ］ （ （ ）
纵向分布电容是指匝平面间的分布电容或指同一线饼相邻两 匝 间的电容 ， 如图 ２ 所示。因每饼线圈的匝平面相互平行 ， 故其相邻两
匝的电位差也相等 ， 并且垂直投影面积 ｓ也相等， ｓ ： ， 即． ，
删 ，
叫 ＋ ｉ ，ｒ Ｉ１＋ ＝ 上 一 ， ｌ ｎ （ ． ： ０ ，
当两个圆环上电荷总量相等， 符号相反时 ， ｂ 有 ：一
个圆环之间分布电容为： ｃｒ （）＝ ＝ （１ ２ ｒ ＋ｒ ）
ｒ ＋ ｒ １
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（ ）一 （ ）一 １ ２
器的影 响不 可忽视 ， 积极 采取 措施 阻止其 对 变压 器的破 坏 。 要
［ 关
键
词 】 微 型 变压 器 ； 分布 电容 结构 ； 高频 谐振 ； 不 可忽略 性 ［ 献标 识码 ］ Ａ 文
［ 中图分 类号 ］ Ｔ ４ ３ Ｍ ３
变压器的种类繁多， 按其实际用途来分， 不外乎有电力变压器、 小型功率变压器及 由线 圈构成 的各 种感性器件。在生活中， 人们更多关注大型电力变压器 ， 而忽略了对一些小型变压器 的研究。有一些电 力变压器使用频率较低 ， 一般为 ５ ｚ分布电容呈现很高的容阻抗值 ， ＯＨ ， 相对来说 ， 这对变压器的影响不 是很大 ， 但对高变频来说 ， 其影响就不能忽视了。 现代科学技术 的飞速发展 ， 引发了电子产品器件 的大量出现 ， 其中微型变压器的作用与功能愈显突 出， 使用范围也愈来愈广 ， 例如： 小型选频、 耦合变压器 、 电器、 继 变频器等等。其 主要特点是 ： 使用范围
高频变压器的设计方法和分布参数模型介绍
Dianqi Gongcheng yu Zidonghua ♦电气工程与自动化高频变压器的设计方法和分布参数模型介绍陈尊杰1夏书生1钱峰1田煜2金平2(1.国网新源水电有限公司新安江水力发电厂，浙江杭州311608；2•河海大学，江苏南京210000)摘要:随着用户对用电质量和安全可靠性的要求越来越高，加上当前对变压器小型化、轻便化的要求，传统电力变压器已不能满足社会发展的需求。
研究表明，通过电力电子技术和变压器的 ，可 传统 压器质量 大 陷’高频变压器作为电力电子变压器(PET )的核心器件， 传 的作用，在未来有着很大的发展空间’现主要介绍高频变压器的设计方法和型,对高频 压器损耗和有重要作用°关键词：电力 子变压器(PET )；高频变压器 型0引C来，可能有高 和可电能质量等优点的电力电子变压器(Power Electronic Trans former ， PET )，为能 网的的研究 叭高频压器PET 的核 ， 的高频 压器性能的 ， 的 高频压器 和效率’因此，高频压器的和型 ，研Z °1电力电子变压器介绍1997年，来自美国德州农工大学的Moonshik Kang 博士设AC /AC的PET ， 压器 的能 1示’ 其样机启发，研究人员大都认可这既能降低变压器 的 和重量，还备更高的传能力和 的"2#°中高压交流DCAC低压交流AC/DC ACZAC高频交流高频变压器高频交流直流端口图1基于AC /AC 变换的PET 结构图2高频变压器的设计压器时，既要考虑 能 的难易，也要考虑建造、运行与维修成本，工作性能素’成本素包括压器 的 和量、材料 艺的经济性，工作性能素 压器的输出、最高工作、特温环境应用时可允许的最大温升’常用的 软件自动 、面 AP 、几何系KG 都能满足 压器的要求’软件，只需要 .压器参，便可通过内置算 动进行 ，简单便’但 本文的研究对象不是传统压器，使用材料不软件库中，难使用软件 高频压器’ 相对,AP 有成型的计算过程和 论依据，不 材料限制，也更常用， 本文 选择AP高频压器’2.1磁芯材料选择及其尺寸计算根据额压！N 、流"n 和磁通密度#m ，结合Ansys 仿真来选择磁芯材料。
多次级高压变压器的分布电容
多次级高压变压器的分布电容
引言
高压变压器的分布参数主要是漏感和分布电容，在高压变压器应用中单次级变压器的分布电容很大，严重影响了电路的工作性能。
为了减小分布电容，将单次级绕组分段绕制后再串联，后接整流和滤波电路。
如果分段后变比依旧很大，那幺在次级匝数依然很多的情况下，分布电容依然较大。
当分布电容不为所用时，只有想方设法减小它。
本文通过传统绕线和PCB迭绕两种工艺的比较，并采用谐振法测得谐振频率及通过计算得到分布电容，最后以实测波形说明分布电容对电路性能的影响。
1 分布电容产生机理
在高压变压器中，分布电容由匝间分布电容和层间分布电容构成。
任何。
高频变压器分布电容的测量
高频变压器分布电容的测量
张朋朋;高国强;向欣;刘庆想
【期刊名称】《电源技术应用》
【年(卷),期】2009(33)2
【摘要】根据串并联谐振式电容器充电电源中谐振电流正负周期的变化特点，提出一种测量分布电容的方法。
该方法仅需观察充电过程中谐振电流的波形，通过比较各个时间段谐振电流的正负周期值，确定充电电流负谐振周期的最小值，根据该值即可计算出高频变压器中的分布电容值。
最后通过仿真验证了这种测量分布电容方法的准确性。
【总页数】3页(P27-29)
【作者】张朋朋;高国强;向欣;刘庆想
【作者单位】西南交通大学物理科学与技术学院成都610031;西南交通大学电气工程学院成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】TM433
【相关文献】
1.高频变压器分布电容研究综述 [J], 杨建华;莫再峰;王成;
2.高频变压器分布电容研究综述 [J], 杨建华;莫再峰;王成
3.高频变压器设计时的漏电感和分布电容的探究 [J], 曹洪武
4.分布电容对高频变压器输出波形的影响分析及其处理 [J], 叶栋;戴瑜兴;贡恩忠;廖鹏
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高频高压变压器分布电容的分析与处理金舜1 曾光1 史明2（1.西安理工大学，西安 710048；2.西安电信分公司，西安 710003）摘要：本文在分析高频变压器分布参数机理的基础上，以高压直流LCC谐振变换器为实例，阐述了高频高压变压器分布电容对电路带来的不利影响，提出了一种补偿的方法，进行了仿真和实验，提出了高频高压变压器分布电容的测试方法，推导了补偿电感的计算公式，综合使用了两种针对分布电容的处理方法。
实验结果表明该方法的正确性。
关键词：分布电容高频变压器 LCC谐振Analysis and Disposal of Distributed Capacitance in High-Frequency and High-Voltage TransformerJin Shun1 ， Zheng Guang1 ，Shi Ming2（Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; Xi’an Telecom, Xi’an 710003,China）Abstract: On the base of analyzing of mechanism of distributed parameters in high frequency transformer, and with a instance of LCC resonant converter , the disadvantage of distributed capacitance in high-frequency and high-voltage transformer is described .A compensation method ,waveforms of both simulation and experiment, and a method of measuring distributed capacitance are given .Formula for calculation compensation inductance is derived .Two methods are used in solving the trouble . Experimental results are presented to verify the theory. Key words: Distributed Capacitance High Frequency Transformer LCC Resonant1 前言随着开关电源频率的不断增加，在满足了减小开关电源体积要求的同时，也带来了一系列新的问题。
例如分布参数在高频情况下对电路的影响就不能再被忽略。
在开关型电源电路中，高频变压器是电气隔离，传输能量，电压变换的重要元件。
在高频情况下，许多应用于工频的变压器设计方法不再适用，考虑及解决好高频变压器的分布参数问题非常重要。
2 高频变压器分布参数模型及对分布参数问题的一般解决办法文献[1]指出：变压器的分布参数主要是漏感和分布电容。
分布电容主要是匝间电容和层间电容。
并建立了一个绕组的分布参数模型（图1），再经过叠加折算得到整个变压器的分布参数模型。
由图1a可计算得绕组的等效并联电容。
等效电容一般是pF数量级，在工频时可将其忽略，但在高频时其对变压器的影响不容忽视。
该分布电容由变压器结构，材料，体积，绕制工艺等因素决定，目前不可能完全消除。
(a) (b)图1 (a)变压器磁路中的绕组（b）图1a的等效电路对待该电容的处理主要有两种方法，一是利用，二是补偿。
如果系统需要在变压器端口并联一个电容，正好可以利用分布电容作为该并联电容，不仅解决了分布电容带来的危害，还减少了元器件的数量。
这是最为积极有效的办法。
反之，若在变压器端口并联电容会给系统带来危害，则必须减弱其影响。
主要是通过工艺上的改进和在变压器外部对其进行补偿。
下面通过工程中实例——高压直流LCC谐振变换器，详细阐述两种方法的应用。
3 LCC主电路原理介绍该电源输入工频220V电源，输出直流电压0~10000V,输出最大功率500W。
主电路（图2）由两级变换电路组成，前级为Buck降压电路，用来实现稳压目的。
后级为LCC谐振电路，为开关器件提供零电压开通条件，变压器副边采用高压硅堆整流，输出为10kV。
?通过对LCC谐振电路的详细分析，由电路工作于主模式的状态轨迹图，推导出其稳态时的解析表达式，根据此解析表达式画出LCC谐振电路的负载曲线。
最后，根据此曲线设计了实验参数：，，。
设计电路稳态时，工作于如下状态：开关频率为20KHz，T=50μs，输出功率500W，输出电压10kV。
高压变压器变比为1：100，则变压器原边的电压为100V，Io为5A。
4 实验波形及结果分析实验中，负载为200k电阻，输出负载电压为10kV。
图3（a）中，通道1为开关管上的电压波形VCE=2VS，大约160V，通道2为谐振电感电流波形，峰值大约20A。
图3（b）为谐振电容C2上的电压波形。
图3（c）为输出负载部分电压，等于总电压的二十分之一。
实测效率约为90%，这主要由于BUCK调压电路开关损耗较大。
图3 实验波形从实验波形上看，基本与理论分析一致，输出电压也能够达到10000V，系统能够按设定工作。
但是，在持续工作一段时间后发现谐振电感L发热严重，主谐振电流开始不稳定，噪声加大，系统不能正常工作。
由于在一段时间内系统能够正常工作，说明电路原理没有问题。
又鉴于故障发生总是在半小时左右，初步断定故障是由L发热引起。
由图3a可见流过L的主谐振电流峰值为20A，这比设计值10A大了一倍。
输出一万伏直流电压加在200K电阻负载上消耗500W功率没有问题，变压器副边高压滤波整流模块亦没有发热现象。
测量变压器原边输入电流峰值为19A左右，远超过设计值。
说明问题出在变压器上。
对该1：100变压器进行空载试验，输入20KHz交流，发现空载电流非常大，且电流超前电压90度，似乎该变压器带了一个电容负载。
5 分布电容的测量及仿真验证考虑到前述的高频变压器绕组分布参数模型，建立图4所示的高频变压器模型。
(a)高频变压器模型(b)高频变压器简化模型图4 高频变压器分布参数模型及简化其中L1，L2分别为原边和副边的漏电感；C1为原边绕组等效分布电容，C2为副边绕组等效分布电容；R1，R2分别为原边和副边绕组的电阻；Tx为没有分布参数的理想铁氧体铁心变压器。
考虑到副边电流很小，R2，L2可忽略不计。
而原边只有几匝，R1亦忽略不计。
再将C2折算到原边后得到图4a的简化模型(图4b)。
考虑到副边匝数是原边匝数的100倍，且绕制工艺一样，可以得到。
将C2折算至原边后,有：将图4b虚线框内的型双端口网络等值为T型双端口网络（图5a）。
又由于Tx励磁电抗很大，励磁电流忽略不计，空载时图5a可等效为图5b。
(a) T型双端口网络(b) 空载等效电路图5 分布参数模型的等效简化图5b中串联阻抗，因为<<1，所以。
给图5b端口加上20KHz 正弦激励，测量输入电压和电流，可算出：，把此分布电容并联到变压器副边端口，用Pspice仿真软件进行仿真。
其结果(图6a)与不考虑分布电容的仿真结果(图6b)进行比较可以看出：主谐振电流分别为峰值20A和10A左右，分别与实验和理论值相符合。
说明上述分布模型以及分布电容的计算是比较准确的。
（a）考虑分布电容的仿真波形（b）未考虑分布电容的仿真波形图6 仿真波形（依次为：输出电压，开关管压降，主谐振电流）6 分布电容解决方案解决该分布电容对系统的不利影响，可从两方面着手：1.利用 2.补偿。
考虑到主电路正好需要与该主变压器原边端口并联一个0.2uF的电容，而由以上分析可知分布电容折合到原边相当于在原边并联了一个1uF 左右的电容，因此可去掉原电路中0.2uF的电容，利用1uF的分布电容代替。
然而1uF电容比期望的0.2uF 大得多，因此需要进一步采取措施减小分布电容。
这可以从两个途径来着手。
一是改进变压器的绕制工艺，一是用外部并联电感进行补偿。
在多次改进工艺效果不明显的情况下，采用第二种方法。
下面就补偿法详细介绍。
在图5a虚线框左端口并联电感L*，得到电路图7a。
(a)加电感补偿后的电路（b）a图虚框内的T型等值电路（c） b图虚框内的等效简化电路图7 电感补偿电路的分析简化图7a虚线框内的型双端口网络可以等效为图7b虚线框内的T型双端口网络。
其中：（式1），。
现令C*=0.2uF，得L*=0.08mH，再将L*代入式1，并考虑到L1和C2’数量级都是，Z1相当于是一个相当大的电容，对于20KHz来说Z1相当于短路。
因此，可得到图7c的简化等效电路。
从图7c可以明显的看出，经过L*补偿以后，原来的变压器相当于漏感加大了一倍，并在原边并联了一个0.2uF的电容，正好符合主谐振电路的参数要求。
当然也可以在变压器副边并联补偿电感，但考虑到副边电压非常高，电感体积很大以及制作调试困难而不予采用。
7 实验验证（a）开关管电压与谐振电感电流波形(b) 谐振电容C2电压(c) 输出负载部分电压图8 用电感补偿分布电容后的实验波形实验中实际并联电感0.06mH,与分析值差0.02mH，这主要是由测量和对模型的简化造成的误差，但数据基本正确，仍有很好的指导意义。
从以上波形可以看出主谐振电流减小到10A左右。
主谐振电感几乎不再发热，电路能够持续稳定工作。
8 结论高频高压变压器分布电容不容忽视。
通过利用和补偿两种方法的综合运用能够较好地解决这个问题。
利用及解决好分布参数问题对设计及制作高频高压变压器有重要的理论及实用价值。
参考文献：[1] 邵学飞，李威强，浅析高频变压器分布参数的变化趋势，电力电子技术，1995(1)：44~46[2] 张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计，北京：电子工业出版社，1998.[3] 蔡宣三等，高频功率电子学，北京：科学出版社，1993。