EPC高頻變壓器分布參數(shù)及其影響的分析

1、引言

　　行波管放大器（TWTA）具有寬頻帶、高增益、高效率等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達(dá)和電子對(duì)抗等技術(shù)領(lǐng)域中。

　　TWTA由空間行波管（TWT）和電子功率調(diào)節(jié)器（EPC）組成。EPC[1,2]是由大量電子元器件和高壓部件組成的復(fù)雜而且特殊的電子設(shè)備，它由指令電路、遙測(cè)電路、變換器及保護(hù)電路等功能模塊組成。

　　理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積、重量與供電頻率的平方根成反比。所以，實(shí)現(xiàn)電路小型化、輕量化最直接的途徑是提高開關(guān)頻率。由于受限于火箭的運(yùn)載能力，對(duì)星載EPC的體積、重量方面提出了嚴(yán)格的限制，因此必須要提高頻率以滿足小體積、輕重量的要求。

　　高頻變壓器也可稱作脈沖變壓器或開關(guān)變壓器。它與普通變壓器的區(qū)別大致有以下幾點(diǎn)：

　?。?）電源電壓不是正弦波，而是交流方波，初級(jí)繞組中電流都是非正弦波;

　?。?）變壓器的工作頻率比較高，通常都在幾十千赫茲，甚至高達(dá)幾十萬赫茲。在確定磁心材料及損耗時(shí)必須考慮能滿足高頻工作的需要及磁心中有高次諧波的影響。

2、變壓器等效電路

　　在一般的理論分析中，為了簡(jiǎn)化分析過程，通常忽略功率變壓器的勵(lì)磁電感和漏感，以便獲得電路工作的基本原理和基本特征。實(shí)際上，寄生參量是客觀存在的，而且隨著開關(guān)頻率的提高，分布參數(shù)的影響越嚴(yán)重。

　　（1）勵(lì)磁電感

　　由于磁導(dǎo)率是有限的，則在原邊繞組中就有勵(lì)磁電流存在。這一增加的電流可以在等效電路中增加一個(gè)和原邊線圈并聯(lián)的勵(lì)磁電感Lm來表示。勵(lì)磁電感能量表示有限磁導(dǎo)率的磁芯中和兩半磁芯結(jié)合處氣隙存儲(chǔ)的能量。存儲(chǔ)的能量與加到線圈上每匝伏特有關(guān)，與負(fù)載電流無關(guān)。

　?。?）漏感

 
　　在實(shí)際變壓器中，如果初級(jí)與次級(jí)之間、匝與匝之間、層與層之間磁通沒有完全耦合，就會(huì)產(chǎn)生漏感。漏感能量表示線圈間不耦合磁通經(jīng)過的空間存儲(chǔ)的能量。在等效電路中，漏感與理想變壓器激勵(lì)線圈串聯(lián)，其存儲(chǔ)的能量與激勵(lì)線圈電流的平方成正比。

　?。?）分布電容

　　在實(shí)際變壓器的繞組中存在著分布電容，尤其存在于線圈導(dǎo)線和變壓器磁心之間以及各繞組之間。電容量的大小取決于繞組的幾何形狀、磁心材料的介電常數(shù)和它的封裝材料等。在等效電路中，在每一理想線圈兩端并聯(lián)一個(gè)集中的電容。

 
　　綜合考慮以上因素，可以得出變壓器的一般等效電路，如圖1所示。其中，Rp、Rs表示原、副邊的繞組電阻，Llp、Lls表示原、副邊的漏感，Lm表示勵(lì)磁電感，Cdp、Cds表示原、副邊的分布電容，Rc表示磁心損耗，其中包括磁滯損耗和渦流損耗。

　　將副邊漏感、次級(jí)繞組電阻、次級(jí)分布電容分別折算到原邊，并將原、副邊漏電感、繞組電阻、分布電容分別集中在一項(xiàng)里，得到如圖2所示簡(jiǎn)化的等效電路。設(shè)變壓器原邊匝數(shù)為N1，副邊匝數(shù)為N2，變比為n（n=N2/N1），則R=Rp+ Rs/n2,Cd=Cdp+ n2Cds,Ll=Llp+ Lls/n2。

圖1 變壓器的一般等效電路
figure1 general equivalent circuits of transformer

圖2 簡(jiǎn)化的變壓器等效電路
figure2 simplified equivalent circuits of transformer

3、變壓器分布參數(shù)影響的理論分析

         由于高頻變壓器的輸入為交流方波，以下分脈沖前沿、脈沖頂部、脈沖后沿進(jìn)行說明[3]。

　　（1）脈沖前沿

　　在脈沖前沿，時(shí)間變化很快，因而漏感和分布電容上就產(chǎn)生很強(qiáng)的電流及電壓變化，而對(duì)于瞬間變化的輸入電壓而言，加在它上面的開路電感的阻抗是趨向無窮大，可以忽略。假設(shè)忽略繞組電阻和磁心損耗電阻。由此得到圖3所示的上升沿等效電路。

　　計(jì)算節(jié)點(diǎn)X的電流，并通過對(duì)它的方程求倒數(shù)，就能得到二次微分方程
　　

圖3 上升沿等效電路
figure3 equivalent circuits of ascending edge

　?。?）脈沖頂部

　　在脈沖頂部時(shí)，脈沖持續(xù)期內(nèi)電壓電流基本保持不變，因此漏感和分布電容便不起主要作用，勵(lì)磁電感起重要作用。由此得到圖4所示的脈沖平頂?shù)牡刃щ娐贰?

　　計(jì)算節(jié)點(diǎn)X的電流，得到一次微分方程： 這個(gè)方程的解是：

圖4 脈沖平頂?shù)刃щ娐?
figure4 equivalent circuits of flat part

　?。?）脈沖后沿

　　漏感通常比勵(lì)磁電感小很多，可以忽略。脈沖后沿時(shí)，儲(chǔ)存在勵(lì)磁電感中的磁能和分布電容中的電能釋放能量，因此勵(lì)磁電感和分布電容起主要作用。 由此得到圖5所示的下降沿等效電路。

　　計(jì)算節(jié)點(diǎn)X的電流，得到二次微分方程：
　　

圖5 下降沿等效電路
figure5 equivalent circuits of descending edge

4、變壓器分布參數(shù)影響的仿真分析

　　根據(jù)以上分析，用軟件PSPICE進(jìn)行仿真。所使用的參數(shù)如圖6所示，仿真波形如圖7所示。

 

圖6 仿真原理圖
figure6 schematic diagram of the simulation

圖7 用PSPICE計(jì)算出的波形
figure7 the waveform computed by PSPICE

　　由圖7的仿真波形可見，由于分布參數(shù)的存在，在上升沿時(shí)具有上沖，在下降沿時(shí)存在下沖?；ジ泻吐└心芰吭陂_關(guān)轉(zhuǎn)換瞬時(shí)引起電壓尖峰，造成損耗增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成開關(guān)管損壞，同時(shí)也是EMI的主要來源，因此必須加以控制。

5、變壓器分布參數(shù)的抑制和利用

　　5.1 變壓器分布參數(shù)的抑制

　　根據(jù)漏感和分布電容的產(chǎn)生原因，可以采取以下措施來進(jìn)行抑制。

　?。?）減少漏感的方法
　　① 減少繞組的匝數(shù)，選用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低損耗的磁性材料;
　?、?減少繞組的厚度，增加繞組的高度;
　?、?盡可能減少繞組間的絕緣厚度;
　?、?初、次級(jí)繞組采用分層交叉繞制;
　　⑤ 初、次級(jí)繞線應(yīng)雙線并繞。

 
　?。?）減少分布電容的方法
　?、?繞組分段繞制;
　?、?正確安排繞組的極性，減少它們之間的電位差;
　?、?采用靜電屏蔽措施。

　　5.2 變壓器分布參數(shù)的利用

　　為滿足小型化要求，同時(shí)克服分布參數(shù)的影響，使開關(guān)變換器在高頻下高效率地運(yùn)行，自20世紀(jì)70年代以來，國(guó)內(nèi)外不斷研究開發(fā)高頻軟開關(guān)技術(shù)[4]。軟開關(guān)技術(shù)很好地利用了電路中的分布參數(shù)，將寄生電感和電容作為諧振元件的一部分，消除了分布參數(shù)引起的電壓尖峰。圖8所示諧振變換器電路,圖9給出的相應(yīng)仿真波形，較為形象地說明了軟開關(guān)利用分布參數(shù)所達(dá)到的效果。

圖9 用PSPICE計(jì)算出的波形
figure9 the waveform computed by PSPICE

圖8 諧振變換器電路
figure8 the resonant convertor

6、結(jié)束語

　　當(dāng)變壓器高頻化后，隨之而來的有很多問題，比如鐵損和銅損的增加，趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)的加強(qiáng)等。由此可見，針對(duì)不同的場(chǎng)合，應(yīng)根據(jù)不同工作要求，合理設(shè)計(jì)變壓器，盡可能減小漏感和分布電容，增大勵(lì)磁電感，使變壓器性能接近理想情況。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):針對(duì)高頻變壓器分布參數(shù)問題,做了仿真分析并提出了在設(shè)計(jì)和繞制變壓器時(shí)能夠減小分布參數(shù)的幾種措施。