陶顯芳老師教你如何避免開關電源變壓器的漏感
發布時間:2016-06-14 責任編輯:wenwei
【導讀】任(ren)何(he)變(bian)壓(ya)器(qi)都(dou)存(cun)在(zai)漏(lou)感(gan),但(dan)開(kai)關(guan)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)漏(lou)感(gan)對(dui)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)的(de)影(ying)響(xiang)特(te)別(bie)重(zhong)要(yao)。由(you)於(yu)開(kai)關(guan)變(bian)壓(ya)器(qi)漏(lou)感(gan)的(de)存(cun)在(zai),當(dang)控(kong)製(zhi)開(kai)關(guan)斷(duan)開(kai)的(de)瞬(shun)間(jian)會(hui)產(chan)生(sheng)反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi),容(rong)易(yi)把(ba)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)過(guo)壓(ya)擊(ji)穿(chuan);漏感還可以與電路中的分布電容以及變壓器線圈defenbudianrongzuchengzhendanghuilu,shidianluchanshengzhendangbingxiangwaifushediancinengliang,zaochengdianciganrao。yinci,fenxilouganchanshengdeyuanlihejianshaolougandechanshengyeshikaiguanbianyaqishejidezhongyaoneirongzhiyi。
開關變壓器線圈之間存在漏感,是因為線圈之間存在漏磁通而產生的;因yin此ci,計ji算suan出chu線xian圈quan之zhi間jian的de漏lou磁ci通tong量liang就jiu可ke以yi計ji算suan出chu漏lou感gan的de數shu值zhi。要yao計ji算suan變bian壓ya器qi線xian圈quan之zhi間jian存cun在zai的de漏lou磁ci通tong,首shou先xian是shi要yao知zhi道dao兩liang個ge線xian圈quan之zhi間jian的de磁ci場chang分fen布bu。我wo們men知zhi道dao螺luo旋xuan線xian圈quan中zhong的de磁ci場chang分fen布bu與yu兩liang塊kuai極ji板ban中zhong的de電dian場chang分fen布bu有you些xie相xiang似si之zhi處chu,就jiu是shi螺luo旋xuan線xian圈quan中zhong磁ci場chang強qiang度du分fen布bu是shi基ji本ben均jun勻yun的de,並bing且qie磁ci場chang能neng量liang基ji本ben集ji中zhong在zai螺luo旋xuan線xian圈quan之zhi中zhong。另ling外wai,在zai計ji算suan螺luo旋xuan線xian圈quan之zhi內nei或huo之zhi外wai的de磁ci場chang強qiang度du分fen布bu時shi,比bi較jiao複fu雜za的de情qing況kuang可ke用yong麥mai克ke斯si韋wei定ding理li或huo畢bi-沙定理,而比較簡單的情況可用安培環路定律或磁路的克希霍夫定律。
圖2-30是分析計算開關變壓器線圈之間漏感的原理圖。下麵我們就用圖2-30來簡單分析開關變壓器線圈之間產生漏感的原理,並進行一些比較簡單的計算。
在圖2-30中,N1、N2分別為變壓器的初、次級線圈,Tc是變壓器鐵芯。r是變壓器鐵芯的半徑,r1、r2分別是變壓器初、次級線圈的半徑;d1為初級線圈到鐵芯的距離,d2為初、次級線圈之間的距離。為了分析計算簡單,這裏假設變壓器初、次級線圈的匝數以及線徑相等,流過線圈的電流全部集中在線徑的中心;因此,它們之間的距離全部是兩線圈之間的中心距離,如虛線所示。
設鐵芯的截麵積為S,S=πr2 ;初級線圈的截麵積為S1,S1=πr21 ;次級線圈的截麵積為S2,S2=πr22 ;初級線圈與鐵芯的間隔截麵積為Sd1,Sd1= S1-S;次級線圈與初級線圈的間隙截麵積為Sd2,Sd2 = S2-S1 ;電流I1流過初級線圈產生的磁場強度為H1,在麵積S1之內產生的磁通量為φ1 ,在麵積Sd2之內產生的磁通量為φ1'' ;電流I2流過次級線圈產生的的磁場強度為H2,磁通量為φ2 。

圖2.30:開關變壓器線圈之間產生漏感的原理
由此可以求得電流I2流過變壓器次級線圈N2產生的磁通量為:

電流I2流過變壓器次級線圈N2產生的磁通量
(2-95)、(2-96)式中,μ0sd2H2=φ2 就是變壓器次級線圈N2對初級線圈N1的漏磁通;因為,這一部分磁通沒有穿過變壓器初級線圈N1。漏磁通可以等效成是由一個電感單獨產生,這個電感就稱為漏感,記為Ls。同理,也可以求得流過變壓器初級線圈N1中的電流I1產生的磁通量為:
流過變壓器初級線圈N1中的電流I1產生的磁通量
磁通量計算式
(2-96)式中,咋看起來,變壓器初級線圈N1產生的磁通量φ1全部穿過變壓器次級線圈N2,它們之間應該不存在漏磁通;但是,初級線圈在麵積S1中產生的磁通φ1 的方向與在麵積Sd2中產生的磁通φ1 的方向,正好互相相反;因此,變壓器初級線圈N1在麵積Sd2中產生的磁通φ1,仍然稱為變壓器初級線圈N1對變壓器次級線圈N2的漏磁通,其等效電感同樣稱為漏感。
下麵我們根據圖2-30來簡單計算變壓器初、次級線圈之間的漏感Ls。
設兩個線圈的間隙為d,高度為h,平均周長為g,那麼,次級線圈與初級線圈的間隙截麵積Sd2,sd2=gd ,間隙的體積Vd2=gdh 。當h >> d時,可以認為在兩個線圈的間隙中磁場強度是均勻的。根據安培環路定律:磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)沿(yan)任(ren)何(he)閉(bi)合(he)回(hui)路(lu)的(de)線(xian)積(ji)分(fen),等(deng)於(yu)穿(chuan)過(guo)該(gai)環(huan)路(lu)所(suo)有(you)電(dian)流(liu)強(qiang)度(du)的(de)代(dai)數(shu)和(he)。由(you)於(yu)磁(ci)場(chang)能(neng)量(liang)或(huo)強(qiang)度(du)以(yi)及(ji)電(dian)流(liu)強(qiang)度(du)基(ji)本(ben)都(dou)集(ji)中(zhong)在(zai)級(ji)線(xian)圈(quan)之(zhi)內(nei),沿(yan)經(jing)過(guo)級(ji)線(xian)圈(quan)之(zhi)內(nei)的(de)磁(ci)閉(bi)合(he)回(hui)路(lu)進(jin)行(xing)線(xian)積(ji)分(fen)的(de)結(jie)果(guo),主(zhu)要(yao)也(ye)是(shi)對(dui)經(jing)過(guo)級(ji)線(xian)圈(quan)的(de)路(lu)徑(jing)進(jin)行(xing)積(ji)分(fen),因(yin)此(ci),在(zai)間(jian)隙(xi)麵(mian)積(ji)hd中的磁場強度為:
H=NI/h (2-97)
(2-97)式中,H為漏感的磁場強度;N為產生漏感線圈的匝數,這裏N可以是N1或者N2;I為流過線圈N1或者N2的電流;h為兩個線圈的高度。
由此我們可以求得漏感Ls的漏磁通能量為:

漏感Ls的漏磁通能量
(2-98)、(2-99)式中,Ls為漏感; μ0為空氣的導磁率,在CGS絕對單位製中μ0=1,在SI國際單位製中μ0=4π10-7 (H/m,亨利/米);g為兩個線圈之間的平均周長;d為兩個線圈之間的距離;h為兩個線圈之間的高度,N為需要計算漏感線圈的匝數,可以是N1或N2。
如果我們拿(2-99)式與(2-67)式或(2-94)式shi進jin行xing對dui比bi,可ke以yi看kan出chu,線xian圈quan漏lou感gan與yu線xian圈quan的de電dian感gan是shi沒mei有you本ben質zhi區qu別bie的de,隻zhi是shi磁ci路lu和he磁ci通tong密mi度du以yi及ji介jie質zhi導dao磁ci率lv等deng參can數shu需xu要yao根gen據ju實shi際ji情qing況kuang來lai決jue定ding。
對於計算多層線圈的漏感可以用上述方法,逐層進行計算,然後求代數和;或者把多層線圈等效成一層,然後按單層來計算。實際中使用的變壓器,其初、次(ci)級(ji)線(xian)圈(quan)的(de)匝(za)數(shu)不(bu)一(yi)定(ding)完(wan)全(quan)一(yi)樣(yang),導(dao)線(xian)的(de)直(zhi)徑(jing)也(ye)不(bu)可(ke)能(neng)一(yi)樣(yang),還(hai)有(you)線(xian)圈(quan)的(de)高(gao)度(du)也(ye)不(bu)可(ke)能(neng)一(yi)樣(yang),因(yin)此(ci),精(jing)確(que)計(ji)算(suan)每(mei)個(ge)線(xian)圈(quan)之(zhi)間(jian)的(de)漏(lou)感(gan)並(bing)不(bu)是(shi)一(yi)件(jian)很(hen)容(rong)易(yi)的(de)事(shi)。
為了減少變壓器初、次級線圈之間的漏感,在繞製變壓器線圈的時候可以把初、次級線圈層與層之間互相錯開,如圖2-31所示。

圖2.31:初、次級線圈層與層之間互相錯開
在圖2-31中,兩個線圈之間實線箭頭表示正磁通的方向,虛線表示反磁通的方向。從圖中可以看出,多層線圈間隙與間隙之間的正、反向磁通是可以部分抵消的,因此,變壓器線圈的漏感可以減小。
例如:第2層線圈N2產生的正磁通,一部分落在第1層線圈N1的外麵,屬於漏磁通;但第2層線圈N2產生的反磁通,正好落在第3層線圈N1的裏麵;即:第2層次級線圈N2產生的正、反向磁通,正好落在初級線圈N1的第1層與第3層線圈之間,正、反向磁通的作用可以互相抵消。而第4層線圈N2產生的正、反向磁通,對第1層與第3層的初級線圈N1就沒有太大的影響。
另外,從(2-99)式還可以看出,漏感的大小與兩個線圈之間的距離還相關;如果把初、次級線圈用雙平行或雙交線來繞製,這樣,兩個線圈之間的距離就會變得小;特別是用雙交線來繞製,相當於兩層線圈不斷交換裏外位置,正、反向磁通互相抵消,因此,它們之間的漏感特別小。這種初、次級線圈采用雙平行或雙交線繞製的變壓器一般多用於高頻變壓器,或脈衝變壓器。但這種變壓器初、次級線圈之間的絕緣強度不高,很難在大功率開關電源中使用。
一般變壓器初、次級線圈的漏感大約在1~2%左右,如果采用分層錯開繞製工藝,漏感可以降低到1%之下;若采用雙交線繞製工藝,線圈漏感可以降低到5‰ 以下。另外,線圈漏感相對值的大小還與變壓器鐵芯的氣隙長度有關,這個用(2-99)式與(2-94)式進行對比就可以知道。變壓器鐵芯的氣隙長度越大,其有效導磁率就越小,線圈漏感的相對值就越大。
對dui變bian壓ya器qi線xian圈quan的de漏lou感gan進jin行xing測ce試shi,方fang法fa很hen簡jian單dan。例li如ru,要yao測ce試shi變bian壓ya器qi初chu級ji線xian圈quan的de漏lou感gan,隻zhi需xu要yao把ba變bian壓ya器qi所suo有you次ci級ji線xian圈quan的de兩liang端duan進jin行xing短duan路lu,然ran後hou用yong儀yi表biao接jie到dao初chu級ji線xian圈quan的de兩liang端duan進jin行xing測ce試shi,其qi結jie果guo就jiu是shi初chu級ji線xian圈quan的de漏lou感gan。同tong理li,需xu要yao對dui變bian壓ya器qi次ci級ji線xian圈quan的de漏lou感gan進jin行xing測ce試shi時shi,隻zhi需xu要yao把ba初chu級ji線xian圈quan的de兩liang端duan進jin行xing短duan路lu,然ran後hou用yong儀yi表biao接jie到dao次ci級ji線xian圈quan的de兩liang端duan進jin行xing測ce試shi,其qi結jie果guo就jiu是shi次ci級ji線xian圈quan的de漏lou感gan。
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