专题报告：变压器中的分布参数及线圈南京航空航天大学Jieminzh@周洁敏2011年11月12日电源网技术交流会 三、分布电容变压器的分布参数一、变压器线圈的漏感二、高频变压器线圈的电磁现象 一、变压器线圈的漏感2、变压器磁芯的漏磁分析3、变压器减少漏磁的主要方法1、漏磁产生的理论基础 1、漏磁产生的理论基础磁力线从磁性材料中跑到周围的空气中构成闭合回路，这部分磁通称为散磁通，也称“漏磁通”为了表达漏磁通，经常用漏感表示1）磁路与电路的比对电路中电流在电导率高的导体中流动，有“绝缘”和导体之分磁路中，没有“绝磁”，磁导体和空气都可以有磁力线通过 开关电源中的功率开关由导通状态转变为截止时，漏感中存储的能量就要释放出来，产生很大的尖峰电压，造成电路器件损坏并产生很大的电磁干扰，恶化了效率设计和绕制变压器时应从磁芯选择、绕组结构和工艺上尽可能减少漏感然后再用缓冲电路抑制干扰和进行能量回收2）开关电源中漏磁或漏感的危害两点间有磁位差就有可能产生漏磁，下面做漏磁分析 2 2、变压器磁芯的漏磁分析、变压器磁芯的漏磁分析（1）均匀绕线环形磁芯漏磁分析（2）集中绕线的等截面环形磁芯漏磁分析（3）有气隙时环形磁芯磁场漏磁分析（4）有气隙时集中绕线环形磁芯磁场漏磁分析（5）高频变压器的漏磁分析 Fx —— 0→x 段磁路所匝链的线圈磁势Ucx —— 0→x 段磁芯的磁阻压降Ux——磁路中某x点相对于参考点的磁位差（（1 1）均匀绕线环形磁芯）均匀绕线环形磁芯 0-x段的磁势磁芯中的磁场强度0-x段磁阻压降0-x段线圈的匝数任意一点的磁位为0，因此理论上没有漏磁x点的磁位 前述磁芯磁场分布是沿平均周长方向获得，而沿磁芯径向的磁场分布是不均匀的，磁芯中的磁场分布是内强外弱，且在边界处发生突变。
内强外弱 （2）集中绕线的等截面环形磁芯 线圈磁势（3）带气隙均匀绕制的环形磁芯磁场磁芯和气隙磁阻 漏磁最大的地方在哪里？ （4）有气隙时集中绕线环形磁芯磁场X=0漏（散）磁通增加了磁位不等于0，散磁通增加 线圈安放在中柱上，E型铁芯，初级4匝，次级1匝，初级电流2.5A,次级电流10A5）高频变压器的漏磁分析 全部初级安匝在窗口产生的磁场强度或0—b段c段因没有线圈，所以磁场强度不变c其中 b+c—d段其中 几种常见结构线圈的漏磁分布几种常见结构线圈的漏磁分布漏磁最大漏磁大理论上没有漏磁 集中绕制变压器的漏磁夹层绕法漏磁分布 （（2 2）高频变压器减少漏磁的主要方法）高频变压器减少漏磁的主要方法要减少漏磁，要降低任何两点间的磁位差，所以对变压器中的磁势分布分析就很重要下面一组线圈不同绕法的磁势分布图 (a)3匝原边，3匝副边的各层线圈磁势分布图在原副边的交界处的最大磁势势3i， (b)原副边各层交替绕制可以使峰值磁势减小交错绕的最大磁势是i (c)双绕组变压器原副边各层交替绕制磁势分布图如果先绕原(副)边再绕副（原）边，则最大磁势为3i 变压器的绕法不同，磁势分布也不同采用线圈的交错绕法可以降低变压器的漏磁从而减少漏感。
二、高频变压器线圈中的电磁现象1、集肤效应2、线圈磁场和邻近效应4、线圈寄生电容3、邻近效应对多层线圈的影响 1、集肤效应单根载流导体的磁场离开导线中心越远磁场越弱磁场最强导线内磁场强度，半径x处的磁场强度 单根载流导体的磁场强度分布图 1-2-34-5-6导线内磁场导线外磁场主电流和涡流之和在导线表面加强，趋向导线中心越弱，电流趋向于导体表面这就是集肤效应集肤效应 研究表明：导线中电流密度从导线表面到中心按指数规律下降,导线有效截面积减小而电阻加大导体的表面电流密度大导体的中间电流密度小 工程上定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的0.368（即1/e）的厚度为趋肤深度或穿透深度Δμ－导线材料的磁导率；γ＝1/ρ－材料的电导率；k－材料电导率（或电阻率）温度系数；铜的电阻率温度系数-请记住 集肤效应使导线的有效截面积减少，交流电阻Rac 增加，当导线直径大于两倍穿透深度时:穿透深度与导线温度的关系频率单位是赫兹，穿透深度单位是厘米交流电阻是直流电阻的倍数 铜导线的穿透深度与频率和温度的关系 (1)如果两根导线代替一根，细导线的直径为单导线的穿透截面积两根并联导线的穿透截面积 （2）大电流用铜箔，将铜箔切割成骨架的宽度，厚度可以比某开关频率时的穿透深度大37%，铜箔之间需要绝缘。
矩形波电流的穿透深度为基波正弦波穿透深度的70%注意：开关电源中大部分电流波形为矩形波，其中包含有丰富的高次谐波，各谐波穿透深度和交流电阻互不相同 2、线圈磁场和邻近效应高频电流iA高频电流iB两根导线厚度a 大于穿透深度Δ，流过相反的且相等的高频电流iA和iB时，导体中电流挤在两导体靠近的一边，这就是邻近效应邻近效应 如果两根平行导线流入同方向的电流电流都挤到导体的外侧邻近效应使能量主要存储在导线之间，如果变压器的宽度远大于导线间距，分析如下： 单位长度l=1上的电感为N=1－匝数；l－导电带料的长度(cm)b－带料的宽度（cm）w－导线间距离(cm) 若忽略外磁场的能量，单位长度两导线气隙间存储的能量为式中 I－为导电带料流过的电流； H－导线之间的磁场强度如果导线宽度越窄（b 变小），存储能量越大指导选磁芯？b大些好，磁芯宽些气隙体积 图(b)次之为减少分布电感图(a)最好图(c)最差矩形导线的不同放置 在布置印刷电路板导线时，输出导线与回流导线上下层最好，平行靠近放置在同一层最差即使导线很宽，实际上仅在导线靠近的边缘有高频电流流通，损耗很大，而且层的厚度不应当超过穿透深度。
3、邻近效应对多层线圈的影响（1）多层线圈中的邻近效应（2）线圈并联（3）无源损耗 导线厚度d大于穿透深度电流集中在初级与次级靠近的一边（1）多层线圈中的邻近效应 求各层功率损耗增加的倍数，等效电阻对直流电阻R的倍数第2层第1层第3层第m层m层总损耗邻近效应使多层线圈的铜损耗增加 高频多层线圈磁场强度分布图用增加导线厚度减少高频时的漏感是不值得的 当线圈需要流过大电流时，如果采用线圈并联，能否真的解决大电流问题呢？（2）线圈的并联外层没有高频电流，只有内层有电流等于没有并联 但线圈宽度增加的不利后果是增加了线圈之间的电容图2图1（（a a）加大线圈窗口宽度）加大线圈窗口宽度b b图1比图2更好 (b)交错绕线增加交错段数性能改善是有限的，且绝缘增加，屏蔽困难，层间电容更大P-SS-PP-S的绕法已经很不容易了 为了达到平均分配电流，应将导线绞成螺旋形或麻花形，使得每根导线在其长度方向感应相同的电压并联的所有导线在窗口中经过相同的磁场c)并联准则 （（3 3）被动损耗（无源损耗））被动损耗（无源损耗）（a）无源导体的邻近效应（b）尽量避免中心抽头（c）减少散磁通 如果导体位于初次级之间高磁场强度区，即使导体不是线圈的一部分或不处在工作时间也会引起损耗。
线圈间电磁屏蔽轻载或空载的次级线圈如中心抽头暂不通电流的线圈处于散磁区的线圈交变磁场中不通电导体的损耗称为被动损耗（a）无源导体的邻近效应 多次级线圈的分配低功率的副边线圈远离高磁场区，可以减少交叉调节的影响 N11和N21同时导通N12和N22同时导通（b）尽量避免中心抽头 当然还可以更换电路拓扑选用正激、半桥、全桥等以避免中心抽头同时导通的线圈放在一起 虽然增加了直流电阻，但减少了交流电阻尽量减少层数利用利兹线更薄的铜带例如单端反激电路，原副边线圈不同时工作采取的措施 （c）减少散磁通以两半对合的磁芯为例说明减少散磁通磁路中磁位差大散磁严重 一般气隙设置在中柱上，气隙周围散磁大 为了减小边缘磁通引起的涡流损耗，尽量减小气隙尺寸有人提出用磁粉芯填充在气隙位置，但工艺复杂成本高高频损耗仍然严重 2.散磁通引起周围电路损耗；3.散磁通引起铜箔线圈导体涡流，减少导体有效截面积，增加导体损耗，或引起导体局部过热小结：高频磁芯线圈的散磁会带来以下的严重后果：1.散磁通引起周围电路的电磁干扰； 三、分布电容1 1、线圈间电容和屏蔽、线圈间电容和屏蔽2 2、端部之间电容、端部之间电容 线圈间电容是引起开关初级到次级之间共模噪声的通道。
在减少漏感和涡流损耗时，要求线圈交错绕和宽窗口及初次级空间尽量紧凑等都增加了线圈的分布电容为了减少初级和次级之间的耦合，可采用恰当的屏蔽措施即用薄铜带或金属绝缘膜隔离围绕在初级和次级之间，构成电气屏蔽1 1、线圈间电容和屏蔽、线圈间电容和屏蔽 (a)没有屏蔽(b)屏蔽不接地(c)屏蔽接地 无屏蔽时初级对次级的干扰 加入屏蔽不接地时，次级接收到的干扰电压为： 可见，不但不起屏蔽作用，还加强了干扰则：如果 因为初级对次级的干扰大大减少如果屏蔽接地良好，即实际上屏蔽不是无限大的，也并非无缝隙的封闭体，在初级和次级还存在剩余电容C’，因此在次级仍有干扰电压 屏蔽层可靠接地是非常重要的，当初级和次级有很高的瞬态电压时，往往采取双重屏蔽根据线圈的安排，选择屏蔽接地点 2 2、端部之间电容、端部之间电容端部之间电容也称为分布电容在高压线圈中，线圈来回绕成许多层上一层的末尾与下一层的开头之间存在电容，交流电位差大，形成旁路电流接近匝间电容很小 小结（（1 1））高频电流仅在接近表面的导线中高频电流仅在接近表面的导线中流通，而不在中心导线中流通，称为流通，而不在中心导线中流通，称为集肤效应集肤效应。
2 2））在一对厚于在一对厚于ΔΔ的导体或线圈中，的导体或线圈中，流过相反的高频电流时，高频电流仅流过相反的高频电流时，高频电流仅在相互最接近的两导体整个表面流通在相互最接近的两导体整个表面流通导体其它部分没有电流，也没有磁场导体其它部分没有电流，也没有磁场这叫邻近效应 （（5 5））多层线圈连接成并联，如果处理不当，多层线圈连接成并联，如果处理不当，高频电流仅流过外层的内表面或内层的外高频电流仅流过外层的内表面或内层的外表面，达不到平均分配电流的目的表面，达不到平均分配电流的目的4 4））必须用缓冲和箝位吸收漏感能量，通必须用缓冲和箝位吸收漏感能量，通常导致负载相关的损耗常导致负载相关的损耗3 3））线圈间磁场强度越大，漏感越大线圈间磁场强度越大，漏感越大 （（7 7））最高输出功率的次级线圈应当与初最高输出功率的次级线圈应当与初级线圈紧耦合避免低功率线圈处于初级级线圈紧耦合避免低功率线圈处于初级与高功率次级间的高磁场强度区与高功率次级间的高磁场强度区6 6））用最大宽度的窗口和用最大宽度的窗口和/或交错线圈减或交错线圈减少漏感和涡流这带来增加线圈间电容的少漏感和涡流这带来增加线圈间电容的弊病。