【電源網】大家都知道，在高壓開關電源中，實現能量的存儲和傳遞、用以隔離和升壓的高頻變壓器是項目設計的關鍵和難點，其性能的好壞不僅直接影響到輸出是否產生波形的畸變及能量傳輸的效率，它在絕緣、寄生、損耗、電暈放電及整流等方面與其它普通變壓器有著明顯的不同，我們就如何提高此類變壓器的可靠性、降低分布參數(漏感、分布電容)，提高生產工藝進行探討。

1.分布電容

在變壓器中，由于兩個導體之間分布或寄生的電氣耦合，繞組線匝之間、同一繞組上下層之間、不同繞組之間、繞組對屏蔽層之間沿著某一線長度方向的電位分布是變化的，這樣就形成了分布電容，由下式表示：

式中：M為分段的段數;N為每段的層數; Co為靜態電容(pf);U為層間的電位差;UP為初級電壓。

高頻變壓器的分布電容主要是由繞組對磁芯(或對屏蔽層)分布電容、各繞組之間分布電容、繞組與繞組之間分布電容、以及初、次級之間分布電容四部分組成(其中初、次級之間的分布電容由于高頻高壓變壓器基本都設有屏蔽繞組，由于屏蔽層的存在，大大減小了原副邊耦合電容，其影響可以忽略)。電容量的大小主要取決于繞組的幾何形狀。高壓變壓器一般會有比較大的匝數比，二次繞組的匝數較多，將產生較大的分布電容。對于二次側來說，分布電容可達到匝數比平方的數倍，導致無效電流通過二次繞組，從而使變壓器效率降低。

目前在高頻高壓變壓器制作過程中，為盡量減小其分布電容，次級繞組一般采用分層、分段或分線包繞制，即將次級繞組分為多 個線包，各線包之間串聯連接，每個線包從最底層開始向上逐漸減少匝數;具體到相鄰兩層的電氣連接方式主要有“]”型、“∠”型、“Z”型三種繞組結構;也有采用分槽繞制結構的。

“]”型、“∠”型、“Z”型三種不同的繞組結構及分槽繞制結構示意圖

2.幾種可以在一定程度上減小分布電容的方法：

1)、一般而言：采用U型繞法，繞線簡單，但上下層相鄰匝間的最大電壓差大，分布電容儲存的能量就很大，從而繞組的端口等效電容較大;

2)、采用Z型繞法，繞線稍復雜些，但線圈上下層相鄰匝間壓差變小，繞組的端口等效電容明顯減小。

3)、若要進一步減小繞組分布電容，則可采用分段繞法。分段方法是將原來的線圈匝數分成相等的若干份，線圈間的最大電壓差就只有輸入電壓的若干分之一，分的段數越多，線圈間的最大電壓差越小，繞組等效分布電容就越小。

4)、另外，還有一種所謂的累進式繞線方法，就是先繞第1層的一部分，再在第1層上繞回去，形成第2層的一部分，這樣交替繞制第1層線圈與第2層線圈，設累進的圈數為n，則線圈間的最大電壓就是1/n。不過這種方法并不常見。一般來講，減小分布電容的繞制方法都可以減小導線間的絕緣應力。

一個2層繞組的線圈，如分別采用上述4種繞法，累進式繞法減小繞組分布電容的效果最佳，兩段式繞法次之，U型繞法最差，Z型繞法介于中間。

3.影響漏感的因素

漏感是表示變壓器繞組之間不完全耦合所表現出來的寄生效應。

由于大功率、高壓、高頻變壓器與普通變壓器存在的的設計方法不同，主要表現在：絕緣需求、寄生成分、空載損耗、負載損耗、電暈放電及整流等方面。一次繞組和二次繞組之間需要有效的絕緣厚度或距離，以避免電場擊穿。因此，一次繞組和二次繞組之間的電磁耦合不像傳統的低壓變壓器那樣緊湊。對于一次側來說，這將導致寄生泄漏電感，從而影響變壓器的最大功率容量。特別是在設計大功率、高壓變壓器的時候，如要保證足夠的絕緣距離，就會有寄生電感產生。影響漏感的因素有：

（1）變壓器的結構形式及尺寸;

（2）鐵芯形狀(環形最小)、尺寸、初級和次級繞組匝數;

（3）導線截面積、繞組繞制方式、絕緣距離等;可以由下式表示：

式中：h為繞組厚度(cm);L1為初級繞組周長(cm);L2為次級繞組周長(cm);L3為初、次級間繞組周長(cm);a1為初級繞組厚度(cm);a2為次級繞組厚度(cm);a3為初、次級間繞組厚度(cm);μ0為空氣導磁率;N1為初級匝數。

可以看出，高頻變壓器的漏感實質上是一個線性電抗，它與有效負載一樣，制約著電源的輸出功率，它對電源輸出回路的影響可以通過下面兩個公式說明：

式中：Io 為輸出電流;Uo 為高頻變壓器次級輸出電壓;Z 為輸出回路總阻抗;X1，X2 分別為折算到高頻變壓器次級的總漏抗和回路總感抗。

雖然適當的漏感可以抑制例如應用在ESP時閃烙引起的短路電流，但很顯然，

若高頻變壓器漏抗太大，則電源無法輸出所需的最大電流，輸出功率明顯減小。所以即便是對于大變比的高壓變壓器也必須控制漏感的量。

但是目前在設計高壓高頻變壓器時由于首先考慮的是如何減少分布電容如采用采用分槽繞制結構、分段繞制，而不是減少漏感，所以現在的漏感都做得比較大。而且分槽或分段繞制其底層電壓與初級繞組之間電位差非常大，絕緣處理需要非常小心謹慎。

4.目前絕大多數的大功率高壓高頻變壓器都有以下幾個共同點：

（1）共有一付大功率鐵芯(當然該鐵芯也有可能是幾付鐵芯并聯);

（2）所有次級繞組繞制在一付鐵芯上，各個次級繞組之間沒有單獨的磁芯和磁路;

（3）初級繞組繞制(裝配)完成后，繞制(裝配)次級繞組，初、次級繞組都共有一付鐵芯;

（4）次級繞組相對初級繞組遠離鐵芯。

通過這上述方式繞制的變壓器所構成的高壓轉換器，一旦出現由于負載短路、打火等原因而導致繞組任何部位的損壞，將會導致整個系統的失效，一般而言變壓器基本上是需要整體維修，設備無法在短時間恢復運行。

如果需要進一步提高功率或電壓，無論采取何種模式，都有其固有的缺陷，實現起來也并不容易。特別是輸出電壓進一步升高的情況下，雖然可以通分層、分段、分包、分槽等繞制方式，但由于受到工藝制作的局限，使得如何控制分布參數尤其是分布電容將變的十分困難。

所以有沒有一種既可以降低分布電容、又不增大漏感同時又適應工業化大批量生產的方法呢?

先說分布電容，如圖所示

由圖可見，基本上所有變壓器都存在由兩層之間的對應匝的電容并聯而成的靜態層間電容 Co，

而由分布電容的計算公式

不難發現Co是構成變壓器分布電容大小的主要因素之一，如果可以將Co減小到很低的程度，那么總的C不也很小了嗎?也就是說，如果有一種繞制方法或則結構，首先使得Cz基本很小或非常小，那么Co、C不也就相應的降低很多了。

5.漏感

眾所周知，環形變壓器的漏感是最低的，原理這就不多說了。但是高壓高頻變壓器幾乎沒有用環形鐵芯來制作的，為什么呢?因為看上去似乎是不可實現的，例如首先初次級絕緣就好像做不到。你總不見得用高壓導線去繞制吧?當然，如果體積可以宇宙大也不妨試試。

除此之外，高壓變壓器中最常用的就是C型或U型鐵芯，這種鐵芯用起來也方便，功率不夠就多并幾副，耐壓不夠就加大窗口，如此反復，不亦樂乎 但是我覺得我們在這方面(大功率高壓高頻變壓器)應該有點創新，四大發明都有了，這點還做不到嗎?!!!

于是針對上面提出的幾個關鍵點，我提出一種全新大功率高壓高頻變壓器設計模式。

先上一個高壓變壓器原理圖

也可以等效成下圖：

這種方式類似于常見的分槽繞制

還有一種表示法

這個就像我們平時所說的分段繞制法，或者繞組電壓疊加方式

這種方式，次級繞組是分為N個段，盡可能地降低分布電容，但是每段之間的層與層之間的分布電容還是不小。并且一旦出現由于負載短路、打火等原因而導致任何一個次級繞組的損壞，將會立即導致整個系統的失效。

一般而言，任何繞制方法都無法保證所有繞組電壓的一致性，只能盡可能地接近，你所說的繞制方式，串聯之后，電壓最高的繞組在最外層，耦合最差，底層的電壓最低，但離初級繞組最近，耦合最好，各繞組的輸出電壓肯定有差異。只不過大小而已，所以在整流之后要加阻、容均壓元件。