大功率高压高频变压器的设计.doc

大功率高压高频变压器的设计 [原] [精] 字号：+ -

1帖  classtwo营长 752
2010-09-28 15:19
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大家都知道，在高压开关电源中，实现能量的存储和传递、用以隔离和升压的高频变压器是项目设计的关键和难点，其性能的好坏不仅直接影响到输出是否产生波形的畸变及能量传输的效率，它在绝缘、寄生、损耗、电晕放电及整流等方面与其它普通变压器有着明显的不同，我在这里抛砖引玉，请大家就就如何提高此类变压器的可靠性、降低分布参数（漏感、分布电容），提高生产工艺进行探讨、欢迎踊跃发言！
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2帖  classtwo营长 752
2010-09-30 09:25

怎么没人发言？
那我只好自己先说几句，如有不对之处欢迎批评谢绝拍砖，先从分布电容说起：
在变压器中，由于两个导体之间分布或寄生的电气耦合，绕组线匝之间、同一绕组上下层之间、不同绕组之间、绕组对屏蔽层之间沿着某一线长度方向的电位分布是变化的，这样就形成了分布电容，由下式表示：

式中：M为分段的段数；N为每段的层数； Co为静态电容（pf）；U为层间的电位差；UP为初级电压。
高频变压器的分布电容主要是由绕组对磁芯（或对屏蔽层）分布电容、各绕组之间分布电容、绕组与绕组之间分布电容、以及初、次级之间分布电容四部分组成（其中初、次级之间的分布电容由于高频高压变压器基本都设有屏蔽绕组，由于屏蔽层的存在，大大减小了原副边耦合电容，其影响可以忽略）。电容量的大小主要取决于绕组的几何形状。高压变压器一般会有比较大的匝数比，二次绕组的匝数较多，将产生较大的分布电容。对于二次侧来说，分布电容可达到匝数比平方的数倍，导致无效电流通过二次绕组，从而使变压器效率降低。
目前在高频高压变压器制作过程中，为尽量减小其分布电容，次级绕组一般采用分层、分段或分线包绕制，即将次级绕组分为多 个线包，各线包之间串联连接，每个线包从最底层开始向上逐渐减少匝数；具体到相邻两层的电气连接方式主要有“]”型、“∠”型、“Z”型三种绕组结构；也有采用分槽绕制结构的。

“]”型、“∠”型、“Z”型三种不同的绕组结构及分槽绕制结构示意图
这几种方式都可以在一定程度上减小分布电容。

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3帖  湘西人家连长 257
2010-10-07 10:53

学习了，顶
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4帖  东方无敌手工兵 28
2010-10-23 01:15

国内做大功率高频的少了，连做我这感应加热。。。。。。。。。。。
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5帖  david.zn排长 180
2010-10-23 12:27

老师，请问您的公式出自哪里？有没经过实证？是哪本书上面的？
另外，有没有计算漏感的公式？这样对照计算应该会更有利吧！
可以指教我一下吗？
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6帖  classtwo营长 752
2010-10-23 14:30

这段时间由于忙着为一位同行开发一款高压高频变压器，没有及时回复
同样，漏感是表示变压器绕组之间不完全耦合所表现出来的寄生效应。
由于大功率、高压、高频变压器与普通变压器存在的的设计方法不同，主要表现在：绝缘需求、寄生成分、空载损耗、负载损耗、电晕放电及整流等方面。一次绕组和二次绕组之间需要有效的绝缘厚度或距离，以避免电场击穿。因此，一次绕组和二次绕组之间的电磁耦合不像传统的低压变压器那样紧凑。对于一次侧来说，这将导致寄生泄漏电感，从而影响变压器的最大功率容量。特别是在设计大功率、高压变压器的时候，如要保证足够的绝缘距离，就会有寄生电感产生。影响漏感的因素有：
1、变压器的结构形式及尺寸；
2、铁芯形状（环形最小）、尺寸、初级和次级绕组匝数；
3、导线截面积、绕组绕制方式、绝缘距离等；可以由下式表示：

 式中：h为绕组厚度（cm）；L1为初级绕组周长（cm）；L2为次级绕组周长（cm）；L3为初、次级间绕组周长（cm）；a1为初级绕组厚度（cm）；a2为次级绕组厚度（cm）；a3为初、次级间绕组厚度（cm）；μ0为空气导磁率；N1为初级匝数。
可以看出，高频变压器的漏感实质上是一个线性电抗，它与有效负载一样，制
约着电源的输出功率，它对电源输出回路的影响可以通过下面两个公式说明

式中：Io 为输出电流；Uo 为高频变压器次级输出电压；Z 为输出回路总阻抗；X1，X2 分别为折算到高频变压器次级的总漏抗和回路总感抗。
虽然适当的漏感可以抑制例如应用在ESP时闪烙引起的短路电流，但很显然，
若高频变压器漏抗太大，则电源无法输出所需的最大电流，输出功率明显减小。所以即便是对于大变比的高压变压器也必须控制漏感的量。
但是目前在设计高压高频变压器时由于首先考虑的是如何减少分布电容如采用采用分槽绕制结构、分段绕制，而不是减少漏感，所以现在的漏感都做得比较大。而且分槽或分段绕制其底层电压与初级绕组之间电位差非常大，绝缘处理需要非常小心谨慎。

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7帖  david.zn排长 180
2010-10-23 17:28

老师，您好，我想按您的计算方法大致估计分布电容。以实际的U型和Z型绕法来比较，看哪一种的分布电容大，可是很难得出结论。
高压变压器，次级匝数很多，为计算方便，只分两段，初次各一段，原边一层三匝，次级三层九匝。原边输入电压按Up计，以此来计算分布电容。
Z型绕法，次级按层来计，它的轴向方向的层间电位差是相等的,沿径向方向的
位分布是线性的，是由内向外逐层变化一个固定值。
电（我的理解是此公式应该是段间电容的计算方法吧？这个静态电容指的是段间的耦合电容。
不然按设定条件，N，M，U，Up，静态电容应如何取对应的值？）
而U型绕法沿轴向方向层间电位差不相等，U型两口头的层间电位层最大，然后逐匝下降，同时沿径向方向的电位分布也与Z型绕法不同，此时又如何计算比较？
另外，U型绕法和Z型绕法的匝间电容的极性方向沿轴向方向是相反的，这样又有什么影响？
我一直想把这个绕制过程有一个大致的性能估测分析，至少对它的趋势有所明了。找了不少的书，但始终不能了却心愿，还请老师能指教一二。
可不可以请老师给一个实例,用计算结果与实测值比较一下?
如果可行,漏感的计算应当也是有规律可找的.

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8帖  睡美鼠排长 120
2010-10-23 17:35

图片不显示，不要直接黏贴图片，先上传文件，在插入编辑器
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9帖  classtwo营长 752
2010-10-23 19:14

先回复您提出的部分问题：
1）、一般而言：采用U型绕法，绕线简单，但上下层相邻匝间的最大电压差大，分布电容储存的能量就很大，从而绕组的端口等效电容较大；
2）、采用Z型绕法，绕线稍复杂些，但线圈上下层相邻匝间压差变小，绕组的端口等效电容明显减小。
3）、若要进一步减小绕组分布电容，则可采用分段绕法。分段方法是将原来的线圈匝数分成相等的若干份，线圈间的最大电压差就只有输入电压的若干分之一，分的段数越多，线圈间的最大电压差越小，绕组等效分布电容就越小。
4）、另外，还有一种所谓的累进式绕线方法，就是先绕第1层的一部分，再在第1层上绕回去，形成第2层的一部分，这样交替绕制第1层线圈与第2层线圈，设累进的圈数为n，则线圈间的最大电压就是1/n。不过这种方法并不常见。一般来讲，减小分布电容的绕制方法都可以减小导线间的绝缘应力。
        一个2层绕组的线圈，如分别采用上述4种绕法，累进式绕法减小绕组分布电容的效果最佳，两段式绕法次之，U型绕法最差，Z型绕法介于中间。
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10帖  classtwo营长 752
2010-10-23 19:34

目前绝大多数的大功率高压高频变压器都有以下几个共同点：
1、共有一付大功率铁芯（当然该铁芯也有可能是几付铁芯并联）；
2、所有次级绕组绕制在一付铁芯上，各个次级绕组之间没有单独的磁芯和磁路；
3、初级绕组绕制（装配）完成后，绕制（装配）次级绕组，初、次级绕组都共有一付铁芯；
4、次级绕组相对初级绕组远离铁芯。
通过这上述方式绕制的变压器所构成的高压转换器，一旦出现由于负载短路、打火等原因而导致绕组任何部位的损坏，将会导致整个系统的失效，一般而言变压器基本上是需要整体维修，设备无法在短时间恢复运行。
如果需要进一步提高功率或电压，无论采取何种模式，都有其固有的缺陷，实现起来也并不容易。特别是输出电压进一步升高的情况下，虽然可以通分层、分段、分包、分槽等绕制方式，但由于受到工艺制作的局限，使得如何控制分布参数尤其是分布电容将变的十分困难。
所以有没有一种既可以降低分布电容、又不增大漏感同时又适应工业化大批量生产的方法呢？所以在这里本着相互学习态度提出一种方案请大家相互探讨！
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11帖  classtwo营长 752
2010-10-24 18:52

先说分布电容，如图所示 
由图可见，基本上所有变压器都存在由两层之间的对应匝的电容并联而成的静态层间电容 Co，
而由分布电容的计算公式

不难发现Co是构成变压器分布电容大小的主要因素之一，如果可以将Co减小到
很低的程度，那么总的C不也很小了吗？也就是说，如果有一种绕制方法或则结构，首先使得Cz基本很小或非常小，那么Co、C不也就相应的降低很多了吗！
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12帖  classtwo营长 752
2010-10-24 19:04

再说漏感
众所周知，环形变压器的漏感是最低的，原理这就不多说了。但是高压高频变压器几乎没有用环形铁芯来制作的，为什么呢？因为看上去似乎是不可实现的，例如首先初次级绝缘就好像做不到。你总不见得用高压导线去绕制吧？当然，如果体积可以宇宙大也不妨试试。
除此之外，高压变压器中最常用的就是C型或U型铁芯，这种铁芯用起来也方便，功率不够就多并几副，耐压不够就加大窗口，如此反复，不亦乐乎
但是我觉得我们在这方面（大功率高压高频变压器）应该有点创新，四大发明都有了，这点还做不到吗？！！！
于是针对上面提出的几个关键点，我提出一种全新大功率高压高频变压器设计模式，具体下次再讲。
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13帖  moses2002cn连长 269
2010-10-25 15:13

学习了。
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14帖  loudianxin营长 749
2010-10-28 17:30

EE55做600W变压器初级用几根线并绕  直径是多少
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15帖  classtwo营长 752
2010-10-29 10:48

你的输入\输出电压是多少?频率是多少?
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16帖  loudianxin营长 749
2010-10-29 11:41

输入电压12V 输出300V 频率30KHZ
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17帖  classtwo营长 752
2010-10-30 14:23

我建议你用0.15x30铜箔绕制，Bm取1500，绕制4T
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35帖  Kingreal工兵 17
2011-03-09 15:59

老师您好，看了您贴子很长见识呐。我对变压器不太懂，只是最近要变做个电源，用到一个开关电源用的变压器。 我想让它输入200到300伏，就是市电整流后PWM调制的电压，输出800到1000V，开关频率10K到20K，输出电流40mA左右吧。查过不少文献，只找到一点相关的，只说了选了PQ型磁芯，具体的也没说PQ多少，2000匝以下，这个是不是太多了。我该用哪种线绕啊，初级跟次级绕的时候该怎么分配呢。非常感谢   
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18帖  classtwo营长 752
2010-10-30 15:59

先上一个高压变压器原理图

也可以等效成下图：

这种方式类似于常见的分槽绕制
还有一种表示法

这个就像我们平时所说的分段绕制法，或者绕组电压叠加方式

这种方式，次级绕组是分为N个段，尽可能地降低分布电容，但是每段之间的层与层之间的分布电容还是不小。并且一旦出现由于负载短路、打火等原因而导致任何一个次级绕组的损坏，将会立即导致整个系统的失效。
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19帖  lnsylp工兵 18
2010-10-31 10:04

请问楼主：对于大功率高压开关电源，负载输出侧通常需要利用多输出绕组叠压的方式来实现，即1：N:N:N...。也就是说高压变压器的结构是初次侧一个绕组对二次侧多组绕组，整流之后然后再叠压。
但是结构上如何安排才能保证各输出绕组的输出电压是相等的?是否会有因为绕组的位置放置的不同而造成各绕组的输出电压有差异？
不同输出绕组是否会互相影响到对方的输出？
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20帖  loudianxin营长 749
2010-10-31 18:12

回复17贴  我昨天刚买的0.95MM的漆包线 请问用漆包线该几根线并绕 我是菜鸟再问一下您说的'BM'是什么意思  谢过
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21帖  classtwo营长 752
2010-10-31 19:07

磁感应强度
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22帖  loudianxin营长 749
2010-10-31 19:10

请问初级应该用几根线并绕
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24帖  classtwo营长 752
2010-10-31 19:40

0.95线粗了，既然买了，我建议用8根线并绕
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23帖  classtwo营长 752
2010-10-31 19:30

一般而言，任何绕制方法都无法保证所有绕组电压的一致性，只能尽可能地接近，你所说的绕制方式，串联之后，电压最高的绕组在最外层，耦合最差，底层的电压最低，但离初级绕组最近，耦合最好，各绕组的输出电压肯定有差异。只不过大小而已，所以在整流之后要加阻、容均压元件。
你提出的是否会相互影响，由于这种绕制方式层与层之间还是存在较大的分布电容，所以相互之间肯定会有影响
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27帖  ccps团长 1044
2011-01-04 17:06

解决匝比过大的方法。可以使用倍压电路不是？
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26帖  zyl_bhy工兵 28
2011-01-04 09:58

咋还没有看到你的全新设计模式，我期待中。好向你学习
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36帖  TRJLJ工兵 17
2011-03-10 17:11

有很多的理论知识，但是有些还是不明白，比如说高压（次级）导线用的是什么型号的材料，绝缘用的是什么材料，铁芯用的又是什么材料。既要市场上有又要工艺上可以实现，没有这些材料再多的理论也是白搭。我觉得做这种变压器大部分时间就花在了选材料和怎么在工艺上实现。理论计算，我个人认为做200kW也是可能的。
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25帖  让你记得我的好师长 4453
2010-12-25 22:47

这样的好帖子，应该加精华！
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28帖  lxm_by排长 117
2011-01-11 15:03

好贴 我居然是第1111浏览的
哇哈哈
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29帖  ccps团长 1044
2011-01-11 18:03

光棍了
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30帖  神舟七号工兵 25
2011-02-03 20:59

这个建议很好，支持。
去年本人做了一批野猪用捕猎器，功率为800-1600W，电压在4000-6000伏之间，就是空载待机电流偏大，没办法，因为野猪这东西太耐电，光靠电容放电来电它是不太可靠，最起码还需要有足够的后续电流和电压才能将它击毙。
去年年底，我去武夷山上测试几个参数时，发现被我的产品击毙的一头野猪身上，旧伤口不下七八处，由伤口观察，预计几处伤口都不会超过3个月曾经被电过，这次看来还算是我们侥幸，放电端口在野猪的前腿脊梁上，短短放电时间（2-3秒左右）电流烧伤伤口已经看见明显骨头了。这头野猪虽说不大（称过了188斤），却如此耐电，简直可怕。
    为此本人还是想做一个3000瓦以上的高功率的逆变器，如今最头疼的问题是如何降低空载电流，使之不需要太大电瓶就能使用。
      各位高手，你们对如何降低逆变器空载电流有什么秘诀，发出来大家分享分享。
以上是我的推动图  ：
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48帖  liming8021班长 93
一2012-03-26 13:40

楼主太狠了吧。这样下去过几年就再也看不到野猪了。
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31帖  kevin04021101排长 128
2011-02-09 16:36

   好帖，好帖。学习了，问一下楼主，这方面的变压器主要采用什么材料做屏蔽层？这方面的变压器主要应用在什么领域？谢谢
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32帖  dcg1985362营长 444
2011-02-22 20:17

希望楼主继续
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33帖  神舟七号工兵 25
2011-02-28 21:36

不需要屏蔽层，浸漆防潮处理  
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34帖  神舟七号工兵 25
2011-02-28 21:38

这是PCB图 
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37帖  雨太小旅长 2400
2011-03-12 11:06

niu B
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38帖  ryw12403工兵 21
2011-04-01 07:11

真牛，看得眼红了。老师能给份电路图和元件清单吗，我也想学下试试
ryw12403@
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39帖  ryw12403工兵 21
十2011-04-01 07:28

想问下你这变压器的绕法，和相关材料参数，谢谢了。另外频率是多高的.
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42帖  bumper_163营长 583
七2011-09-12 09:36

mark
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40帖  mingming214排长 109
九2011-04-01 12:45

 老师你好 我因为毕业设计要做一个200W  12V的开关电源，要自己绕组变压器，而我从没自己绕过 不知道怎么做。甚至连给用哪个型号的磁芯也不知道。 请老师给点意见，该用什么型号的磁芯 和多达的漆包线比较合适呢？  我前天自己找了一个磁芯不知道是什么型号的，量了一下是 两块E 型的合并组成的， 高4.2 厘米  宽4 厘米。 我用1mm直径的漆包线绕了一个想测试一下可是不知道怎么测试？ 希望老师能指点一二 谢谢了！
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41帖  spj60工兵 20
八2011-06-22 15:22

classtwo你好！
“大功率高压高频变压器”是否已形成产品？我公司有需求。有意请联系我13986579297
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43帖  tang925连长 248
六2011-09-14 20:19

定制大功率高频高压变压器，频率范围：10KHZ-100KHZ,功率范围：10KW-120KW
联系：QQ 912544987
          MAIL:calzuro@
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44帖  czlw888营长 659
五2011-09-17 19:32

关注、得益
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47帖  lf001工兵 25
二2012-01-18 23:06

定制大功率高频变压器。1kw--50kw
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45帖  wenbo8营长 647
四2011-10-13 15:12

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