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【原创】变压器绕制工艺 (第三季--变压器分布电容)

之前的讨论:

电源效率讨论系列三:变压器绕制工艺

变压器绕制工艺 (第二季--驱动变压器)

变压器绕组绕在磁芯骨架上,特别是饶组的层数较多时,不可避免的会产生分布电容,由于变压器工作在高频状态下,那么这些分布电容对变压器的工作状态将产生非常大的影响,如引起波形产生振荡,EMC变差,变压器发热等

所以,我们很有必要对变压器的分布电容狠狠的研究一把,下面我们就对这个分布电容来展开讨论

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2010-09-07 10:19

哈哈,自己来占个沙发

分布电容既然有危害,那么我们就要设法减小这个分布电容的影响,首先我们来分析下分布电容的组成

变压器的分布电容主要分为4个部分:绕组匝间电容,层间电容,绕组电容,杂散电容,下面我们来分别介绍

 

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2010-09-07 10:37

冰版真乃神人啊~!!!

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2010-09-07 10:55
@心中有冰
哈哈,自己来占个沙发分布电容既然有危害,那么我们就要设法减小这个分布电容的影响,首先我们来分析下分布电容的组成变压器的分布电容主要分为4个部分:绕组匝间电容,层间电容,绕组电容,杂散电容,下面我们来分别介绍 

首先讲讲绕组匝间电容

我们知道电容的基本构成就是两块极板,当两块极板加上适当的电压时,极板之间就会产生电场,并储存电荷

那么,我们是否可以把变压器相邻两个绕组看成连个极板呢?答案是可以的,这个电容就是绕组匝间电容。

以变压器初级绕组为例,当直流母线电压加在绕组两端时,各绕组将平均分配电压,每匝电压为Vbus/N,也就是说每匝之间的电压差也是Vbus/N。当初级MOS管开关时,此电压差将对这个匝间电容反复的充放电,特别是大功率电源,由于初级匝数少,每匝分配的电压高,那么这个影响就更严重。

但总的来说,匝间电容的影响相对于其他的分布电容来说,几乎可以忽略

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2010-09-07 10:56
@fly
冰版真乃神人啊~!!!
兄弟过誉了,俺这是雕虫小技,不值一提。
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2010-09-07 11:13
@心中有冰
首先讲讲绕组匝间电容我们知道电容的基本构成就是两块极板,当两块极板加上适当的电压时,极板之间就会产生电场,并储存电荷那么,我们是否可以把变压器相邻两个绕组看成连个极板呢?答案是可以的,这个电容就是绕组匝间电容。以变压器初级绕组为例,当直流母线电压加在绕组两端时,各绕组将平均分配电压,每匝电压为Vbus/N,也就是说每匝之间的电压差也是Vbus/N。当初级MOS管开关时,此电压差将对这个匝间电容反复的充放电,特别是大功率电源,由于初级匝数少,每匝分配的电压高,那么这个影响就更严重。但总的来说,匝间电容的影响相对于其他的分布电容来说,几乎可以忽略

要减小这个电容的影响,我们可以从电容的定义式中找到答案:

C=εS/4πkd

其中  C:绕组匝间电容量

         ε:介电常数,由两极板之间介质决定
         S:极板正对面积

         k:静电力常量

         d:极板间的距离

从上式我们可以看出,可以选用介电常数较低的漆包线来减小匝间电容,也可以增大绕组的距离来减小匝间电容,如采用三重绝缘线。

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2010-09-07 11:14
@心中有冰
首先讲讲绕组匝间电容我们知道电容的基本构成就是两块极板,当两块极板加上适当的电压时,极板之间就会产生电场,并储存电荷那么,我们是否可以把变压器相邻两个绕组看成连个极板呢?答案是可以的,这个电容就是绕组匝间电容。以变压器初级绕组为例,当直流母线电压加在绕组两端时,各绕组将平均分配电压,每匝电压为Vbus/N,也就是说每匝之间的电压差也是Vbus/N。当初级MOS管开关时,此电压差将对这个匝间电容反复的充放电,特别是大功率电源,由于初级匝数少,每匝分配的电压高,那么这个影响就更严重。但总的来说,匝间电容的影响相对于其他的分布电容来说,几乎可以忽略
大家可以思考下,为什么说这个匝间电容的影响基本可以忽略?
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2010-09-07 11:25
@心中有冰
兄弟过誉了,俺这是雕虫小技,不值一提。
繼續呀,我在看呢。
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MYLAPLACE
LV.5
9
2010-09-07 11:39
@心中有冰
大家可以思考下,为什么说这个匝间电容的影响基本可以忽略?

关注中。。。

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2010-09-07 12:59
@心中有冰
大家可以思考下,为什么说这个匝间电容的影响基本可以忽略?

不好意思,我觉得这个电容不一定可以忽略,d比较小(对于升压变压器,应该是次级匝数很多,保持一定的励磁电感时),所以我觉得反而不可以忽略。如果可以忽略的话,也只能从能量角度考虑。因为相邻的两圈之间,电压差小,所以电容储能小。另外就是匝数多时,这些匝间分布电容是串联关系,所以分布电容小了。

 另外问一下,心中有冰老师 ,怎么考虑 ,初次级之间的电容;还有初次级对铁心的电容(主要是铁心电位不确定,可能接地,也可能隔离)


关键词:电压  电容

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2010-09-07 14:06
@kevin04021101
不好意思,我觉得这个电容不一定可以忽略,d比较小(对于升压变压器,应该是次级匝数很多,保持一定的励磁电感时),所以我觉得反而不可以忽略。如果可以忽略的话,也只能从能量角度考虑。因为相邻的两圈之间,电压差小,所以电容储能小。另外就是匝数多时,这些匝间分布电容是串联关系,所以分布电容小了。 另外问一下,心中有冰老师,怎么考虑,初次级之间的电容;还有初次级对铁心的电容(主要是铁心电位不确定,可能接地,也可能隔离)关键词:电压 电容

楼上的说得很到位,主要是电容是串联关系,导致最后的等效电容容量很小,所以可以忽略其影响

你的问题我在后面会讲到,这不是刚讲了第一种吗?

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2010-09-07 19:10
@心中有冰
[图片]楼上的说得很到位,主要是电容是串联关系,导致最后的等效电容容量很小,所以可以忽略其影响你的问题我在后面会讲到,这不是刚讲了第一种吗?

好,是我心急了,不好意思。洗耳恭听,特别是 初次级对铁心的分布电容。非常感谢老师指教

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侃侃
LV.2
13
2010-09-07 19:17
@心中有冰
兄弟过誉了,俺这是雕虫小技,不值一提。
心中有冰老师,能告诉我你的邮箱或者是QQ么?这几天我的电源出问题了,琢磨了好几天都没效果,所以想请教下你,可以么?
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2010-09-07 19:56
@侃侃
心中有冰老师,能告诉我你的邮箱或者是QQ么?这几天我的电源出问题了,琢磨了好几天都没效果,所以想请教下你,可以么?

有什么问题可以在论坛里提出来,大家帮你解决总胜过我一个人吧?

再说公布QQ的与邮箱的话,会爆的,现在有很多的垃圾广告信息!

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jyh1017
LV.4
15
2010-09-07 21:02
@心中有冰
有什么问题可以在论坛里提出来,大家帮你解决总胜过我一个人吧?再说公布QQ的与邮箱的话,会爆的,现在有很多的垃圾广告信息!
先占个位置,本人正好最近碰到空载变压器发热,也许和分布电容有关
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2010-09-08 08:53

go on……

接下来我们来看看看绕组的层间电容,这里的层间电容指的是每个单独绕组各层之间的电容。

我们知道,在计算变压器时,一般会出现单个绕组需要绕2层或2层以上,那么此时的每2层之间都会形成一个电场,即会产生一个等效电容效应,我们把这个电容称为层间电容。

如下图:

 

电容C就是层间电容

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2010-09-08 08:59
@心中有冰
goon……接下来我们来看看看绕组的层间电容,这里的层间电容指的是每个单独绕组各层之间的电容。我们知道,在计算变压器时,一般会出现单个绕组需要绕2层或2层以上,那么此时的每2层之间都会形成一个电场,即会产生一个等效电容效应,我们把这个电容称为层间电容。如下图:[图片] 电容C就是层间电容
层间电容是变压器的分布电容中对电路影响最重要的因素,因为这个电容会跟漏感在MOSFET开通于关闭的时候,产生振荡,从而加大MOSFET与次级Diode的电压应力,使EMC变差。
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2010-09-08 09:15
@心中有冰
层间电容是变压器的分布电容中对电路影响最重要的因素,因为这个电容会跟漏感在MOSFET开通于关闭的时候,产生振荡,从而加大MOSFET与次级Diode的电压应力,使EMC变差。

既然有害处,那么我们就需要想办法来克服它,把它的影响降低到可以接受的范围

方法一:参照6楼的公式,在d上作文章,增大绕组的距离来减小层间电容,最有代表性的就是采用三重绝缘线。

但这个方法有缺点,因为线的外径粗了之后,带来的后果就是绕线层数的增加,而这不是我们想看到的。

 

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2010-09-08 09:22
@心中有冰
层间电容是变压器的分布电容中对电路影响最重要的因素,因为这个电容会跟漏感在MOSFET开通于关闭的时候,产生振荡,从而加大MOSFET与次级Diode的电压应力,使EMC变差。

方法二:可以通过选择绕线窗口比较宽的磁芯骨架,因为绕线窗口宽,那么单层绕线可以绕更多的匝数,也意味着可以有效降低绕线的层数,那么层间电容就有效降低了。

这个是最直接的,也是最有效的。

但同样有缺点,选择磁芯骨架要受到电源结构尺寸的限制

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2010-09-08 09:31
@心中有冰
层间电容是变压器的分布电容中对电路影响最重要的因素,因为这个电容会跟漏感在MOSFET开通于关闭的时候,产生振荡,从而加大MOSFET与次级Diode的电压应力,使EMC变差。

方法三:可以在变压器的绕线工艺上来作文章

可以采用交叉堆叠绕法来降低层间电容,如下图

 

此种绕法有个显著缺点,会增加初次级之间的耦合面积,也就是说会加大初次级绕组之间的电容,使EMC变差,有点得不偿失的感觉。

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2010-09-08 09:47
@心中有冰
层间电容是变压器的分布电容中对电路影响最重要的因素,因为这个电容会跟漏感在MOSFET开通于关闭的时候,产生振荡,从而加大MOSFET与次级Diode的电压应力,使EMC变差。

方法四:还是在绕制工艺上作文章

先来看普通的绕法

 

如上图,这个是我们常用的绕法(也叫U形绕法),我们可以清楚的看到,第1匝与第2N匝之间的压差将非常大,在初中我们学过的物理上有讲,Q=C*U,压差越大,那么在这个电容上储存的电荷就越多,那么这个地方的干扰电压斜率将非常大,也就是说在这个地方形成的干扰就越大。

我们可以采用Z形绕法来降低这个影响

Z形绕法(也叫折叠绕法)如下

 

从上图我们可以看到,此种绕法可以显著降低电压斜率,对EMC时非常有利的。

缺点就是绕制工艺相对复杂点

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2010-09-08 12:59
@心中有冰
方法四:还是在绕制工艺上作文章先来看普通的绕法[图片] 如上图,这个是我们常用的绕法(也叫U形绕法),我们可以清楚的看到,第1匝与第2N匝之间的压差将非常大,在初中我们学过的物理上有讲,Q=C*U,压差越大,那么在这个电容上储存的电荷就越多,那么这个地方的干扰电压斜率将非常大,也就是说在这个地方形成的干扰就越大。我们可以采用Z形绕法来降低这个影响Z形绕法(也叫折叠绕法)如下[图片] 从上图我们可以看到,此种绕法可以显著降低电压斜率,对EMC时非常有利的。缺点就是绕制工艺相对复杂点
   好帖 继续占座。。
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dashufa123
LV.3
23
2010-09-09 15:37
@心中有冰
方法四:还是在绕制工艺上作文章先来看普通的绕法[图片] 如上图,这个是我们常用的绕法(也叫U形绕法),我们可以清楚的看到,第1匝与第2N匝之间的压差将非常大,在初中我们学过的物理上有讲,Q=C*U,压差越大,那么在这个电容上储存的电荷就越多,那么这个地方的干扰电压斜率将非常大,也就是说在这个地方形成的干扰就越大。我们可以采用Z形绕法来降低这个影响Z形绕法(也叫折叠绕法)如下[图片] 从上图我们可以看到,此种绕法可以显著降低电压斜率,对EMC时非常有利的。缺点就是绕制工艺相对复杂点
等待大师神帖继续
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wdh1986
LV.4
24
2010-09-09 15:40
@kevin04021101
  好帖继续占座。。
好貼!~!~!關注中......
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creation
LV.5
25
2010-09-10 19:20

老师新开的贴子又让我学习了不少东西,多谢老师

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refale
LV.3
26
2010-09-11 07:35
@心中有冰
方法四:还是在绕制工艺上作文章先来看普通的绕法[图片] 如上图,这个是我们常用的绕法(也叫U形绕法),我们可以清楚的看到,第1匝与第2N匝之间的压差将非常大,在初中我们学过的物理上有讲,Q=C*U,压差越大,那么在这个电容上储存的电荷就越多,那么这个地方的干扰电压斜率将非常大,也就是说在这个地方形成的干扰就越大。我们可以采用Z形绕法来降低这个影响Z形绕法(也叫折叠绕法)如下[图片] 从上图我们可以看到,此种绕法可以显著降低电压斜率,对EMC时非常有利的。缺点就是绕制工艺相对复杂点

心中有冰老师,我有一个问题,对于Z型绕法,是不是这样:在第N匝绕制完毕后导线需要跨过整个骨架中轴(同时做好绝缘措施)在骨架另一边引脚开始绕制第N+1匝---第2N匝,依此类推。。。。如果是这样的话,小弟有一个疑问,这样线包绕制出来可能会非常大,而且层与层之间不能紧密耦合漏感也可能会比较大,不知道心中有冰老师我说的对不对?

心中有冰老师,能不能提供一个Z性绕法的变压器的图片,让小弟学习一下?

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2010-09-11 11:14
@refale
心中有冰老师,我有一个问题,对于Z型绕法,是不是这样:在第N匝绕制完毕后导线需要跨过整个骨架中轴(同时做好绝缘措施)在骨架另一边引脚开始绕制第N+1匝---第2N匝,依此类推。。。。如果是这样的话,小弟有一个疑问,这样线包绕制出来可能会非常大,而且层与层之间不能紧密耦合漏感也可能会比较大,不知道心中有冰老师我说的对不对?心中有冰老师,能不能提供一个Z性绕法的变压器的图片,让小弟学习一下?

你说的大部分是对的

Z形绕法基本不会使线包变大多少,因为都是横着过去的,当然,多层的时候是有一点影响的。也不会影响耦合,只是对窗口绕线面积的利用率有点影响而已

变压器图片我这里暂时没有,不好意思!

 

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浪子qiu
LV.4
28
2010-09-11 19:22
@心中有冰
goon……接下来我们来看看看绕组的层间电容,这里的层间电容指的是每个单独绕组各层之间的电容。我们知道,在计算变压器时,一般会出现单个绕组需要绕2层或2层以上,那么此时的每2层之间都会形成一个电场,即会产生一个等效电容效应,我们把这个电容称为层间电容。如下图:[图片] 电容C就是层间电容
来学习一下
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ggyy185
LV.5
29
2010-09-12 14:34
@creation
老师新开的贴子又让我学习了不少东西,多谢老师[图片]
多谢老师   go on
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lz20060508
LV.5
30
2010-09-12 23:58
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2010-09-14 08:15
@心中有冰
你说的大部分是对的Z形绕法基本不会使线包变大多少,因为都是横着过去的,当然,多层的时候是有一点影响的。也不会影响耦合,只是对窗口绕线面积的利用率有点影响而已变压器图片我这里暂时没有,不好意思! 

继续占座

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