高频集成变压器原边绕组的低分布电容布局方法技术

高频集成变压器原边绕组的低分布电容布局方法，属于电力电子技术、开关电源技术领域，本发明专利技术为解决现有高频变压器多输入原边绕组没有考虑层间分布电容影响变压器性能的问题。本发明专利技术方法为：每个原边绕组均分为p份，并采用层层交错式布局将N个原边绕组进行p层绕制，N>2，p≥2，每个原边绕组采用Z型结构绕制。本发明专利技术提供一种分布电容储能影响最小的集成变压器多个高压原边绕组的布局。

【技术实现步骤摘要】
高频集成变压器原边绕组的低分布电容布局方法
本专利技术涉及高频集成变压器原边绕组的分布电容储能最优化设计，属于电力电子技术、开关电源

技术介绍
目前，各种高压输入场合逐渐增多，受各类器件电压等级等因素的限制，如何有效地降低各关键器件的电压应力是高压电源设计过程中无法回避的问题。解决高电压应力的方法主要有4种：(1)利用多个功率器件串联来代替单个器件；(2)采用电压等级较高的各种新型宽禁带功率器件；(3)采用多电平技术；(4)采用多变换器输入串联的方式。方法1～3可有效解决变换器中主要功率器件(开关管、二极管)电压应力高的问题；方法4除了可以解决功率器件(开关管、二极管)电压应力高的问题，还可以解决变换器中主要无源器件(如变压器等磁性器件)的高压问题。高频变压器是多数开关电源中必不可少的磁性器件，高频变压器的寄生参数对开关电源的影响较大。高频变压器主要有两类寄生参数：漏感和分布电容。其中，人们对变压器漏感相关的研究非常多，而对变压器分布电容的研究相对较少。在高压场合，变压器分布电容的影响较大，随着开关电源电压等级的不断增加，变压器分布电容的影响将越来越不容忽视。图1所示为两种适用于高输入电压(Vi)场合、基于双开关反激式拓扑的辅助电源变换器。图1(a)为常规电源变换器，其中，Lp和Wp分别为其变压器(Tc)原边绕组(PW)的电感量和匝数，Llk为等效漏感。图1(b)为输入串联型变换器，其中，Vi1,Vi2,...,ViN是N(N≥1)个串联电路的输入电压，这里N个串联电路共用1个集成变压器(Ti)和n(n≥1)个输出电路；N(N≥1)个串联电路具有相同的器件参数，例如，相同的输入滤波电容(Ci1＝Ci2＝...＝CiN)、相同的开关管(S11,S12,S21,S22,...,SN1,SN2)、相同的二极管(D11,D12,D21,D22,...,DN1,DN2)、相同的变压器原边绕组自感值(Lp1＝Lp2＝...＝LpN)和匝数(Wp1＝Wp2＝...＝WpN＝W)，这里PW1,PW2,...,PWN表示集成变压器的N个原边绕组，Llk1,Llk2,...,LlkN表示漏感。图1中两种变换器具有相同的输出电路，其中，Do1,Do2,...,Don和Co1,Co2,...,Con分别为输出整流二极管和输出滤波电容，Ls1,Ls2,...,Lsn和Ws1,Ws2,...,Wsn分别为n个副边绕组(SW1,SW2,...,SWn)的电感值和匝数，Vo1,Vo2,...,Von为各电路的输出电压。与图1(a)中的常规电源变换器相比，图1(b)中的输入串联型电源变换器相当于把承担高压的原边绕组分段，由1个(PW)变为N个(PW1,PW2,...,PWN)，原边绕组匝数关系为：Wp＝Wp1+Wp2+...+WpN。两个变换器的主要区别在于：(1)图1(a)中的常规电源变换器的电压应力为Vi；(2)在图1(b)中的输入串联型电源变换器中，所有的开关管同时开通与关断，各串联电路通过集成变压器原边绕组的耦合作用实现自然均压，因此各串联电路的电压应力约为Vi/N。为了说明方便，这里在图1中定义电气节点：(1)“A”和“B”为图1(a)中原边绕组PW的电气节点；(2)“A1,A2,...,AN”和“B1,B2,...,BN”为图1(b)中原边绕组PW1,PW2,...,PWN的电气节点。目前已有的同类型(基于变压器集成的)输入串联型变换器有很多种，如采用单开关反激式拓扑的该类变换器、采用双开关正激式拓扑的该类变换器，如图2所示(其中，Ti为各变换器的集成变压器)。对于图1中的常规变压器Tc和集成变压器Ti而言，每个绕组本身都存在分布电容，任意两个绕组之间也存在分布电容，这里我们称之为单个绕组分布电容和绕组之间分布电容。由于图1中两个辅助电源变换器的输入电压远高于它们的各路输出电压，在设计过程中，变压器Tc和Ti的单个副边绕组分布电容以及副边绕组之间分布电容的影响通常可以忽略，而与原边绕组相关的分布电容的影响则必须考虑。因此，对于图1(a)中的常规变压器Tc而言，在设计时，需要考虑它的单个原边绕组分布电容以及原、副边绕组之间分布电容的影响；对于图1(b)中的集成变压器Ti而言，在设计时，除了需要考虑它的单个原边绕组分布电容以及原、副边绕组之间分布电容的影响之外，还需考虑它的原边绕组之间分布电容的影响。图3为带单个原边绕组分布电容等效模型的常规变压器Tc和集成变压器Ti，这里以输入串联电路数N＝2和输出电路数n＝2为例进行介绍。由于电压较高，原边绕组一般采用多层结构，因此，单个原边绕组分布电容通常包括匝间和层间电容两部分，二者分别分布在每层绕组的匝与匝之间，以及绕组的层与层之间。在变换器的运行过程中，由于此类分布电容的存在相当于每个原边绕组都并联一个等效电容，如图3中的等效电容Cp、Cp1、Cp2。对于图1(a)中的电源变换器，当各开关管导通时，原边绕组承担正向电压：VA-B＝Vi；当各开关管关断之后，原边绕组承担的最大反向电压为：VA-B＝-Vi。可见，在每个开关周期内，单个原边绕组分布电容电压变化范围较大，其储能变化对变换器的运行造成影响如下：(1)各开关管导通时，分布电容与变换器主电路发生高频谐振，造成各开关管出现较大电流尖峰，且损耗增加；(2)各开关管关断时，分布电容与变压器原边各电感谐振，造成损耗增加。目前，已有的研究都是围绕着如何降低图1(a)中变压器的单个原边绕组分布电容(Cp)储能展开的。对于图1(a)中的多层原边绕组而言，由于绕组匝数较多，匝间电压较低，匝间电容储能通常远小于层间电容储能，因此，一般都是想办法对其层间电容储能进行抑制。该类多层绕组有两种基本的结构：C型结构和Z型结构，两种绕组的截面图如图4所示(这里以两层绕组为例给出)。由于Z型绕组的层间电容储能小于C型绕组，因此，在高压场合，图1(a)中的多层原边绕组一般采用Z型结构。对于图1(b)中的电源变换器，目前，尚没有直接对集成变压器该类分布电容进行的研究。但是，该类集成变压器的单个绕组分布电容(Cp1或Cp2)与常规变压器的单个绕组分布电容(Cp)的影响一致，其储能抑制的处理方法也相同。对于图1(a)中的电源变换器，原、副边绕组之间分布电容分布在变压器的原边绕组和副边绕组之间，如图5(a)所示。此类分布电容的影响以及常规处理方式如下：通常由开关电路产生的共模噪声通过此电容向变换器输出侧传输，一般采用在原、副边绕组间增加屏蔽层的方法可限制该噪声的传输。对于图1(b)中的电源变换器，该类集成变压器的原、副边绕组之间分布电容与常规变压器的原、副边绕组之间分布电容的影响一致，其储能抑制的处理方法也相同。但是，原、副边绕组之间分布电容分布在集成变压器每个原边绕组和每个副边绕组之间，如图图5(b)所示为分布在原边绕组(PW1)和副边绕组(SW1)之间的分布电容。目前，尚没有直接对集成变压器该类分布电容进行的研究。综上，对于图1(a)中的电源变换器而言，由于变压器只有一个原边绕组，因此，不存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高频集成变压器原边绕组的低分布电容布局方法，其特征在于，该方法为：每个原边绕组均分为p份，并采用层层交错式布局将N个原边绕组进行p层绕制，N>2，p≥2，每个原边绕组采用Z型结构绕制。/n

【技术特征摘要】
1.高频集成变压器原边绕组的低分布电容布局方法，其特征在于，该方法为：每个原边绕组均分为p份，并采用层层交错式布局将N个原边绕组进行p层绕制，N>2，p≥2，每个原边绕组采用Z型结构绕制。


2.根据权利要求1所述高频集成变压器原边绕组的低分布电容布局方法，其特征在于，原边绕组每层绕组匝数a＝W/p，W为每个原边绕组的匝数。


3.根据权利要求1所述高频集成变压器原边绕组的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟涛，王世刚，李春艳，安彦桦，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23