在高頻變壓器設(shè)計(jì)中，對(duì)寄生元件的細(xì)致管理對(duì)于確保變換器效率至關(guān)重要。寄生自電容和漏電感在與開(kāi)關(guān)損耗、電磁干擾和諧振問(wèn)題相關(guān)的電力電子學(xué)中非常重要。

本文探討了從U型到蛇形及三維成型扇形繞組等特定匝道進(jìn)程如何影響磁性元件的寄生特性。

回合進(jìn)展如何影響寄生自能？

寄生自電容指的是繞組結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量，由方程E = CV控制2/2.因此，自電容依賴(lài)于相鄰導(dǎo)體或?qū)又g的電壓電位差。繞組方案決定了該勢(shì)分布。

將匝位與電位差大相鄰的結(jié)構(gòu)，會(huì)帶來(lái)更高的靜電能量?jī)?chǔ)存和有效電容。另一方面，最小化相鄰匝道或?qū)又g電壓梯度的架構(gòu)，其寄生電容更低。

關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)繞組，U型和Z型結(jié)構(gòu)有何不同？

其中一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別在于標(biāo)準(zhǔn)的非交織繞組方法。它們以不同的方式管理層與層之間的轉(zhuǎn)換，這意味著它們表現(xiàn)出不同的電容行為。

圖1的方案A中的U型進(jìn)階包括完成一整層（例如第1至4回合），然后在上一層末端上方開(kāi)始下一層（例如第5回合位于第4回合之上）。

圖1。線繞匝進(jìn)階比較：（A）U型，（B）Z型，（C）分段式，（D）銀行（漸進(jìn)式）結(jié)構(gòu)，展示了層填充與電壓梯度之間的權(quán)衡。（圖片來(lái)源：IEEE)

這種配置在過(guò)渡點(diǎn)產(chǎn)生較高的電位差，因?yàn)榈谝粚拥哪┒耍ㄏ鄬?duì)于起始的高電位）物理上與第二層起始相鄰。這種變化會(huì)導(dǎo)致陡峭的電壓梯度，從而獲得比其他標(biāo)準(zhǔn)方案更高的靜電儲(chǔ)存能量和更高的自電容。

在圖1的方案B中，Z型進(jìn)度中，線材會(huì)穿過(guò)梭芯，使得第二層從第一層起點(diǎn)正上方開(kāi)始（例如，第5彎位于第1圈之上）。

這種布置允許相鄰層之間的電勢(shì)差更為一致。此外，模擬表明層間的能量密度低于U型構(gòu)型，導(dǎo)致自電容降低。

為什么分段繞組和銀行繞組被用于低電容應(yīng)用？

通常使用截面（方案C）和銀行（方案D）繞組，通過(guò)改變繞組結(jié)構(gòu)上的電壓梯度來(lái)最小化電容。如圖1的方案D所示，該方法采用垂直、反傾角的漸進(jìn)，即匝道立即疊加在前一匝上，而不是先填滿水平層。

關(guān)鍵在于該架構(gòu)最小化物理相鄰匝數(shù)之間的電壓差。通過(guò)有限元分析（FEA）進(jìn)一步觀察，方案D在層間存儲(chǔ)的靜電能量更少。例如，比較研究表明，銀行繞組可實(shí)現(xiàn)測(cè)量到低至1.3 pF的自電容，而標(biāo)準(zhǔn)U型繞組僅為28 pF。

截面繞組方案將繞組劃分為物理上分離的部分（例如，1–2匝與3–4圈之間由介質(zhì)壁分隔）。將總繞組電壓劃分為分離段，可以降低任一段的有效電壓勢(shì)。換句話說(shuō)，這導(dǎo)致自電容低（例如測(cè)量為4.2 pF），使其在高壓應(yīng)用中非常有效。

這些方案中漏感的權(quán)衡是什么？

雖然方案A、B、C和D作為簡(jiǎn)單的初級(jí)/次級(jí)疊加實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以隔離繞組以管理電容，但這種物理分離增加了繞組間空間中儲(chǔ)存的靜磁能。這構(gòu)成了泄漏通量。

因此，非交織設(shè)計(jì)通常表現(xiàn)出更高的漏電感。例如，標(biāo)準(zhǔn)U型設(shè)計(jì)（W1）可能測(cè)量到550 nH的漏電感。

為減少漏感，工程師常使用交織結(jié)構(gòu)。交織可最小化MMF峰并改善磁耦合，從而降低漏電感，達(dá)到同樣的目的。然而，繞組距離越近，通常會(huì)使組組間電容增加。

蛇形法如何解決高頻平面變壓器中的這一問(wèn)題？

LLC諧振變換器中的平面變壓器由于平面繞組表面積較大，面臨寄生電容的挑戰(zhàn)。交錯(cuò)蛇形纏繞法（見(jiàn)圖2（e）和（f））展示了這個(gè)問(wèn)題。

圖2。交織蛇形繞組法（e和f）的橫截面，顯示層間垂直交替，以最小化電位差和寄生電容。（圖片來(lái)源：IEEE)

與U型平面繞組不同，后者在完成一層后再進(jìn)入下一層，蛇形法采用水平螺旋結(jié)構(gòu)，上下層垂直交替排列。

• 電容降低：交替層（例如，底部的第1圈連接到頂部的第2圈）使相鄰垂直轉(zhuǎn)彎之間的電勢(shì)差降低到大約V/n（n為匝數(shù)）。

• 電感降低：值得一提的是，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明蛇形繞組可實(shí)現(xiàn)較低的漏電感（0.07 μH），相較于U型平面繞組（0.54 μH），同時(shí)降低有效電容。

3D打印模具如何影響環(huán)形變壓器？

環(huán)面變換器在優(yōu)化方面帶來(lái)了具體的幾何挑戰(zhàn)。圖3展示了3D打印聚乳酸（PLA）模具的研究，展示了一種同時(shí)管理電容和電感的方法。

圖3。采用3D打印PLA模具的改良環(huán)形變壓器設(shè)計(jì)，物理隔離次級(jí)繞組與初級(jí)繞組，形成180°扇形配置。（圖片來(lái)源：MDPI)

使用PLA模具時(shí)，該架構(gòu)覆蓋了次級(jí)繞組，初級(jí)繞組以180°扇形結(jié)構(gòu)繞過(guò)模具。

• 電容，即模具提供介電屏障和物理距離，約降低87%的繞組寄生電容（約~20 pF）。

• 電感，正如標(biāo)準(zhǔn)理論所說(shuō)，物理間距通常會(huì)增加漏感。然而，這種改良設(shè)計(jì)允許增加初級(jí)繞組的平均匝數(shù)。因此，這一幾何變化相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可測(cè)量的漏感降低。

摘要

匝數(shù)的進(jìn)展是變壓器制造中一個(gè)重要的設(shè)計(jì)變量。銀行（方案D）和分段（方案C）繞組電容較低，但在非交織結(jié)構(gòu)中可能表現(xiàn)出更高的漏電感。在平面應(yīng)用中，蛇形法有效減少了這兩個(gè)參數(shù)。此外，對(duì)于環(huán)形應(yīng)用，3D打印模具實(shí)現(xiàn)扇區(qū)繞組幾何形狀，抑制電容和漏電感，使高頻逆變器工作更高效。