電源變壓器工藝之--分布電容

引言

變壓器繞組繞在磁芯骨架上，特別是饒組的層數較多時，不可避免的會產生分布電容，由于變壓器工作在高頻狀態下，那么這些分布電容對變壓器的工作狀態將產生非常大的影響，如引起波形產生振蕩，EMC變差，變壓器發熱等。

所以，我們很有必要對變壓器的分布電容狠狠的研究一把。

分布電容既然有危害，那么我們就要設法減小這個分布電容的影響，首先我們來分析下分布電容的組成變壓器的分布電容主要分為4個部分：繞組匝間電容，層間電容，繞組電容，雜散電容，下面我們來分別介紹。

首先講講繞組匝間電容

我們知道電容的基本構成就是兩塊極板，當兩塊極板加上適當的電壓時，極板之間就會產生電場，并儲存電荷。

那么，我們是否可以把變壓器相鄰兩個繞組看成連個極板呢？答案是可以的，這個電容就是繞組匝間電容。

以變壓器初級繞組為例，當直流母線電壓加在繞組兩端時，各繞組將平均分配電壓，每匝電壓為 Vbus/N，也就是說每匝之間的電壓差也是Vbus/N。當初級MOS管開關時，此電壓差將對這個匝間電容反復的充放電，特別是大功率電源，由于初級匝數少，每匝分配的電壓高，那么這個影響就更嚴重。

但總的來說，匝間電容的影響相對于其他的分布電容來說，幾乎可以忽略。

要減小這個電容的影響，我們可以從電容的定義式中找到答案：

C=εS/4πkd

其中 C:繞組匝間電容量

ε：介電常數，由兩極板之間介質決定

S：極板正對面積

k：靜電力常量

d：極板間的距離

從上式我們可以看出，可以選用介電常數較低的漆包線來減小匝間電容，也可以增大繞組的距離來減小匝間電容，如采用三重絕緣線。

接下來講講層間電容

這里的層間電容指的是每個單獨繞組各層之間的電容。

我們知道，在計算變壓器時，一般會出現單個繞組需要繞2層或2層以上，那么此時的每2層之間都會形成一個電場，即會產生一個等效電容效應，我們把這個電容稱為層間電容。如下圖：

電容C就是層間電容

層間電容是變壓器的分布電容中對電路影響最重要的因素，因為這個電容會跟漏感在MOSFET開通于關閉的時候，產生振蕩，從而加大MOSFET與次級Diode的電壓應力，使EMC變差。

既然有害處，那么我們就需要想辦法來克服它，把它的影響降低到可以接受的范圍。

方法一：

參照6樓的公式，在d上作文章，增大繞組的距離來減小層間電容，最有代表性的就是采用三重絕緣線。

但這個方法有缺點，因為線的外徑粗了之后，帶來的后果就是繞線層數的增加，而這不是我們想看到的。

方法二：

可以通過選擇繞線窗口比較寬的磁芯骨架，因為繞線窗口寬，那么單層繞線可以繞更多的匝數，也意味著可以有效降低繞線的層數，那么層間電容就有效降低了。

這個是最直接的，也是最有效的。

但同樣有缺點，選擇磁芯骨架要受到電源結構尺寸的限制。

方法三：

可以在變壓器的繞線工藝上來作文章

可以采用交叉堆疊繞法來降低層間電容，如下圖

此種繞法有個顯著缺點，會增加初次級之間的耦合面積，也就是說會加大初次級繞組之間的電容，使EMC變差，有點得不償失的感覺。

方法四：

還是在繞制工藝上作文章

先來看普通的繞法

如上圖，這個是我們常用的繞法（也叫U形繞法），我們可以清楚的看到，第1匝與第2N匝之間的壓差將非常大，在初中我們學過的物理上有講，Q=C*U，壓差越大，那么在這個電容上儲存的電荷就越多，那么這個地方的干擾電壓斜率將非常大，也就是說在這個地方形成的干擾就越大。

我們可以采用Z形繞法來降低這個影響

Z形繞法（也叫折疊繞法）如下

從上圖我們可以看到，此種繞法可以顯著降低電壓斜率，對EMC時非常有利的。

缺點就是繞制工藝相對復雜點。

最后來說說繞組電容

顧名思義，繞組電容就是指繞組之間產生的電容，比如說初級繞組Np與次級繞組Ns之間的電容

此電容由于存在于初次級繞組之間，對電路的EMI是相當不利的，因為初級產生的共模電流信號可以通過這個電容耦合到次級中去，這就造成了非常大的共模干擾；而共模干擾可能會引起電路噪音或者輸出的不穩定。

解決的方法一般就是在初次級之間加一個屏蔽層，并且將這個屏蔽層接到電路中的某點，來降低此電容的影響

一般把這種屏蔽層稱為法拉第屏蔽層，一般由銅箔或繞組構成

在用銅箔時，我們一般用0.9T,或者1.1T，不選擇1T，因為1T的話，容易短路。

那為何不能短路呢，短路會帶來什么樣的后果？

將磁力線短路了，那么電感就接近零，再反射到初級，那么初級的電感也為零，這個時候初級是通電的，結果……“砰”就炸機了。