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)行能量儲存和傳輸?shù)闹匾考?。一個高頻變壓器應(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。本文闡述通過改善變壓器的加工工藝來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 初級線圈的漏感和分布電容

在高頻變壓器設(shè)計時，變壓器的漏感和分布電容必須減至最小，因為開關(guān)電源中高頻變壓器傳輸?shù)氖歉哳l脈沖方波信號。在傳輸?shù)乃沧冞^程中，漏感和分布電容會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)重時會導(dǎo)致功率開關(guān)管的損壞。通常變壓器的漏感，控制為初級電感量的1%～3%。

2.1 初級線圈的漏感

變壓器的漏感是由于初級線圈和次級線圈之間，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、次級繞組。

(5)采用環(huán)型磁心變壓器時，不管初級、次級繞組的匝數(shù)有多少，在繞制繞組時，均沿環(huán)型圓周均勻分布地繞制。對于大電流工作狀態(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、次級繞組采用雙線并繞的加工工藝。

其中減少初級線圈的匝數(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，足以能使初級繞成兩層，甚至繞成一層的話，就可以有效地減小初級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，會引起磁心飽和，導(dǎo)致變壓器繞組的電感值急劇降低，繞組對交流電流的限流作用降低，嚴(yán)重時進(jìn)入短路狀態(tài)，在微秒的時間里，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、次級繞組之間增加靜電屏蔽措施;

(4)選擇漏磁勢組數(shù)M=4。