屏蔽技術(shù)在高頻變壓器中的應(yīng)用

1引言

　　供電電源系統(tǒng)采用的高頻變壓器和電感器，如陰極射線管（CRT）顯示器用的回掃變壓器，通常，其幅射磁場(chǎng)很強(qiáng)，但因?yàn)檫@種變壓器的工作頻率與CRT的行偏轉(zhuǎn)頻率一致，故其輻射磁場(chǎng)對(duì)視覺效果不會(huì)造成明顯的影響。然而，在一些超高分辨率的CRT顯示器中，由于行偏轉(zhuǎn)頻率隨著高速掃描而提高，電源變壓器的工作頻率不能與其保持一致，供電電源只能在比CRT掃描頻率低的某一頻率工作。這種情況下，即使電源的工作頻率完全與工作在CRT掃描頻率的某一諧波頻率相一致，電源變壓器的電磁輻射依然會(huì)對(duì)CRT顯示器的圖象造成明顯的干擾，使視覺效果變差，工作頻率越高，干擾越顯著。

　　對(duì)高頻電源變壓器進(jìn)行電磁屏蔽，多數(shù)設(shè)計(jì)成將變壓器整體地封閉在一個(gè)密封的金屬盒內(nèi)，有時(shí)把驅(qū)動(dòng)電路的部件也包括在內(nèi)。采用這種屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí)，為防止在高壓繞組和金屬盒內(nèi)之間可能產(chǎn)生的飛弧，兩者中間要留有足夠大的空隙。所以，這種屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)電磁場(chǎng)的屏蔽效果是不理想的，同時(shí)還在CRT顯示器中占據(jù)相當(dāng)大的空間。再一種屏蔽結(jié)構(gòu)是將變壓器整體地灌封在具有高介電常數(shù)的絕緣材料中，形成一體化無間隙結(jié)構(gòu)。這種灌注成整體結(jié)構(gòu)的問題是：要使灌封達(dá)到無間隙，工藝操作上有相當(dāng)難度；由于以環(huán)氧樹脂為代表的灌封材料的位移電荷在封裝材料表面形成高電位，將通過較低介電常數(shù)的空氣向有足夠電位差的表面形成飛弧。

　　2屏蔽方式與設(shè)計(jì)

　　2.1屏蔽方式

　　本設(shè)計(jì)所采用的高頻電源變壓器的屏蔽結(jié)構(gòu)由三部分組成：磁路、安裝在磁路上的繞組、外表面層的等場(chǎng)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的屏蔽罩，其包括大部分在電氣特性上與磁路完全一致的連續(xù)磁環(huán)路及部分繞組組件。同時(shí)，為了防止飛弧，還要在繞組部件有較高電場(chǎng)強(qiáng)度表面一定的距離上，用空氣隙和環(huán)氧樹脂來增加強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域的屏蔽層厚度。

　　這里介紹這種屏蔽的一個(gè)典型設(shè)計(jì)實(shí)例：在緊靠高頻變壓器繞組較低電場(chǎng)區(qū)域設(shè)置一個(gè)電氣特性上連續(xù)的屏蔽環(huán)路；在較高電場(chǎng)區(qū)域靠近繞組的外圍設(shè)置另一個(gè)電氣特性上連續(xù)的屏蔽環(huán)路，它應(yīng)與繞組保持足夠的空間距離，以防止屏蔽環(huán)內(nèi)部電介質(zhì)（這里指空氣與環(huán)氧樹脂）電擊穿。這樣，便可從選定等場(chǎng)強(qiáng)的外形并結(jié)合適當(dāng)選擇電氣特性上連續(xù)的環(huán)路數(shù)、屏蔽環(huán)的形狀和其間距，以使高頻電源變壓器得到比較完善的屏蔽效果。在此結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，我們可以從適當(dāng)變化屏蔽環(huán)的尺寸和布局，為變壓器提供一個(gè)分布式散熱器，增強(qiáng)變壓器的冷卻效果。

　　2.2屏蔽設(shè)計(jì)及說明

　　圖1所示為高頻電源變壓器及其屏蔽的基本結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布圖。圖中，剖面(50)上可以看到磁路(52)通過圓柱形繞組(56)和一個(gè)或幾個(gè)低壓線圈(64)，以及次級(jí)高壓線圈(66)。高壓線圈(66)是與其它線圈(62)、(64)分開的，沿著繞組(56)的長(zhǎng)度方向以線性分布繞制，結(jié)合線圈(62)、(64)的布局及磁路(52)的結(jié)構(gòu)，形成了圖1(b)所示的電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況；沿圓柱形繞組(56)長(zhǎng)度方向的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線如圖1(b)之(80)所示。

　　線圈(62)和(66)制成以后，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封(74)，以形成變壓器的機(jī)械支撐，電氣絕緣和有關(guān)防護(hù)。初級(jí)繞組(62)和低壓線圈(64)在環(huán)氧樹脂(74)內(nèi)的一端設(shè)計(jì)連續(xù)引腳(76)，與印制電路(PCB)(78)相連接。高壓線圈(66)的“低”壓端(68)，通過引線與PCB連接；高壓線圈的“高”壓端(70)通過封固在環(huán)氧樹脂中的高壓二極管(72)與外電路或CRT相連接。

　　由圖1(b)電場(chǎng)分布曲線(80)可見，變壓器的最大電場(chǎng)強(qiáng)度在靠近繞組(56)(見圖1(a)所示)末端處，而不是在其邊緣。

　　圖2所示為這種屏蔽結(jié)構(gòu)的分解示意圖(100)。圖1所示的變壓器(50)的剖面圖中包含的磁路(52A)是(110)和(112)兩部分緊密對(duì)接的鐵氧體，在其結(jié)合部位(120)和(122)處留有適宜的氣隙，絕緣導(dǎo)線(108)把CRT（圖中未畫出）和圖1中所示出的二極管(72)連續(xù)起來。普通的U型屏蔽罩(130)圍繞磁心(52A)延伸，把繞組(56)的外側(cè)部分的磁路覆蓋住，并包括了氣隙(120)在內(nèi)也覆蓋了。

　　第二磁路的屏蔽罩(140)由第一電氣特性連接環(huán)(150)和第二電氣特性連接環(huán)(160)組成，它們以銅箔或其它金屬制作。二個(gè)環(huán)由屏蔽片(154)相連，并選用一個(gè)合適的距離間隔(170)。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，環(huán)路(150)和(160)的寬度和相隔距離(170)各占繞組(56)長(zhǎng)度的三分之一。屏蔽罩(140)延伸到整個(gè)變壓器(150A)和另一個(gè)屏蔽罩(130)，其中第一個(gè)環(huán)(150)緊貼繞組部件外表面，在低端(68A)接觸處有足夠厚度的環(huán)氧樹脂層。第二環(huán)(160)圍繞繞組的高端與繞組間保持有足夠大的空間(其間或者充有其它介質(zhì))，以防止環(huán)氧樹脂表面(74)與屏蔽環(huán)(160)之間產(chǎn)生飛弧。對(duì)不同的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，相應(yīng)的電氣連接環(huán)的數(shù)目和排布也不相同，電場(chǎng)強(qiáng)度越高，環(huán)的直徑越大。第一個(gè)環(huán)(150)和第二個(gè)環(huán)(160)包圍整個(gè)磁路，環(huán)內(nèi)磁通量的總和為零，故屏蔽效果比較理想。

　　3屏蔽材料選擇與屏蔽罩設(shè)計(jì)

　　眾所周知，電磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾影響可以通過磁屏蔽、磁隔離和轉(zhuǎn)移元件等產(chǎn)生的作用使其減至最小或消除。磁場(chǎng)通過導(dǎo)磁材料比其通過空氣或其它介質(zhì)材料時(shí)更容易被轉(zhuǎn)移。所以，常常使用高磁導(dǎo)率的磁性材料來制成環(huán)狀或密封的屏蔽元件。