開關(guān)電源中如何通過改善變壓器工藝提高開關(guān)電源可靠性

1 引言

在開關(guān)電源中，高頻變壓器是進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存和傳輸?shù)闹匾考?。一個(gè)高頻變壓器應(yīng)具有漏感小、線圈分布電容小，各線圈之間的耦合電容也要小的特點(diǎn)。本文闡述通過改善變壓器的加工工藝來(lái)減小漏感和線圈本身的分布電容，提高開關(guān)電源的可靠性。

2 初級(jí)線圈的漏感和分布電容

在高頻變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，變壓器的漏感和分布電容必須減至最小，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/開關(guān)電源">開關(guān)電源中高頻變壓器傳輸?shù)氖歉哳l脈沖方波信號(hào)。在傳輸?shù)乃沧冞^程中，漏感和分布電容會(huì)引起浪涌電流和尖峰電壓，以及頂部振蕩，造成損耗增加。雖然在開關(guān)晶體管的漏極上增加鉗位和吸收電路可以克服尖峰電壓，但過大的尖峰會(huì)導(dǎo)致鉗位和吸收電路損耗的增加，使開關(guān)電源的效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致功率開關(guān)管的損壞。通常變壓器的漏感，控制為初級(jí)電感量的1%～3%。

2.1 初級(jí)線圈的漏感

變壓器的漏感是由于初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間，層與層之間，匝與匝之間磁通沒有完全耦合而造成的。在變壓器繞制加工中可采取下列措施。

(1) 盡量減少繞組的匝數(shù)，選用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低損耗的磁性材料。

(2)增加線圈尺寸的高度和寬度之比。

(3)盡可能減小繞組間的絕緣厚度，但必須保證變壓器本身有足夠絕緣強(qiáng)度。

(4)采用分層交叉繞制方式繞制初級(jí)、次級(jí)繞組。

(5)采用環(huán)型磁心變壓器時(shí)，不管初級(jí)、次級(jí)繞組的匝數(shù)有多少，在繞制繞組時(shí)，均沿環(huán)型圓周均勻分布地繞制。對(duì)于大電流工作狀態(tài)下的環(huán)型磁心變壓器，采用多繞組并聯(lián)方式繞制，并且盡可能地減小線徑。

(6)改善線圈之間的耦合程度。

(7)在輸入電壓不太高的情況下，初級(jí)、次級(jí)繞組采用雙線并繞的加工工藝。

其中減少初級(jí)線圈的匝數(shù)及增加線圈尺寸的高度和寬度之比，與所選擇的磁心形狀有關(guān)。如果磁心放置線圈的心柱尺寸足夠大，足以能使初級(jí)繞成兩層，甚至繞成一層的話，就可以有效地減小初級(jí)的漏感及分布電容的值。高頻變壓器適于采用中間心柱較長(zhǎng)的磁心，不適合采用矮胖形狀的磁心。在上述措施中變壓器繞組的匝數(shù)不能減得太少，否則當(dāng)輸入電壓太高，或者脈沖太寬時(shí)，會(huì)引起磁心飽和，導(dǎo)致變壓器繞組的電感值急劇降低，繞組對(duì)交流電流的限流作用降低，嚴(yán)重時(shí)進(jìn)入短路狀態(tài)，在微秒的時(shí)間里，有幾十乃至幾百安培的電流通過半導(dǎo)體器件，使之失效。

2.2 分布電容

變壓器繞組線匝之間，同一繞組的上、下層之間，不同繞組之間，繞組與屏蔽層(或磁心)之間形成的電容稱為分布電容。開關(guān)變壓器分布電容主要由下面幾部分組成。

(1) 各繞組與屏蔽層(或磁心)之間的分布電容。

(2)各繞組線匝之間的分布電容。

(3)繞組與繞組之間的分布電容。

(4)各繞組的上、下層之間的分布電容。

在開關(guān)電源的晶體管通、斷期間，線圈的分布電容被反復(fù)地充電和放電，其能量都被鉗位和吸收電路所消耗，降低了開關(guān)電源的效率。此外，線圈的分布電容還與線圈的漏感一起形成LC振蕩，產(chǎn)生振鈴噪聲。要減小分布電容可以采取下列措施：

(1) 繞組進(jìn)行分段繞制;

(2)正確安排繞組的極性，以減小各繞組之間的電位差;

(3)初級(jí)、次級(jí)繞組之間增加靜電屏蔽措施;

(4)選擇漏磁勢(shì)組數(shù)M=4。