变压器分布电容分析

第27卷第31期中国电机工程学报Vol.27No.31Nov.20072007年11月ProceedingsoftheCSEE©2007Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2007)31-0121-06中图分类号：TM56文献标识码：A学科分类号：470⋅40开关电源高频变压器电容效应建模与分析董纪清1，陈为1，卢增艺2(1．福州大学电气工程与自动化学院，福建省福州市350002；2．台达能源技术(上海)有限公司零组件研发中心电磁实验室，上海市浦东新区201209)ModelingandAnalysisofCapacitiveEffectsinHigh-frequencyTransformerofSMPSDONGJi-qing1,CHENWei1,LUZeng-yi2(1.CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,FuzhouUniversity,Fuzhou350002,FujianProvince,China;2.DeltaElectronics(Shanghai)Co.,LTD,ElectromagneticLab,PudongNewDistrict,Shanghai,201209,China)ABSTRACT:Theeffectsofbothelectricenergystorageandcommon-mode(CM)ElectroMagneticInterference(EMI)noiseemissionofhigh-frequencytransformerareanalyzedconsideringthevoltagedistributionintransformerwindings.One-portterminalcapacitanceisusedtopresenttheelectricenergystoragebehaviors,whiletwo-portnetworktransfercapacitanceisusedtopresenttheCMEMInoisebehaviors.Thecalculationmethodsarealsoproposedforthetwocapacitances.Basedonthisunderstanding,anewtransformermodelisbuiltwhichcandescribeboththeelectricenergystorageandCMEMInoisebehaviorsofatransformerinonemodel.ThemodelcanalsoexplaintheCMEMInoisemechanismclearlyandrationally.Finally,theexperimentandsimulationverifythetheoreticalanalysisandthemodel.KEYWORDS:high-frequencytransformer;straycapacitance;modeling;CMnoise摘要：该文分析了开关电源中高频变压器在考虑了变压器绕组导体的电位分布情况下的电场储能特性和共模电磁干扰发射特性。指出采用一端口入端电容描述电场储能效应，而采用二端口转移阻抗电容描述共模电磁干扰发射效应，并提出了相应的参数计算方法。在此基础上，建立了新的高频变压器电容效应模型，该模型可以同时兼顾变压器的电场能量储存特性和共模噪音抑制特性，能合理地揭示变压器内共模噪音电流的流动机理。实验和仿真结果均验证了理论分析和模型。关键词：高频变压器；分布电容；建模；共模噪音0引言高频化使开关电源体积大幅度减小、功率密度基金项目：福建省自然科学基金资助项目(2006J0159)。明显提高，随着开关管开关速度的加快，电源中的电压和电流波形边沿也将更加陡峭，噪音谐波显著增大，电磁干扰更加严重；同时在高频下开关电源中元件的寄生参数、分布参数很容易发生谐振，在谐振点噪音明显增大，恶化了电源的电磁干扰特性；此外，高频下元器件间的磁场和电场相互耦合影响加强往往使开关电源的电磁干扰特性变差。电磁干扰问题使开关电源的频率难以进一步提高，制约了开关电源的进一步高频化和高密度化。要解决这些问题，从磁性元件入手是一个重要的研究突破点[1]。一方面在于磁性元件在开关电源系统的体积与重量中占有相当大的比重，其参数特性对开关电源性能包括电磁干扰特性起着非常重要的影响；另一方面由于磁性元件多为自主设计，其高频参数受设计、工艺和安装位置等因素影响，合理的磁性元件设计可以保证良好的参数配合，从而显著改善电磁干扰发射水平。目前对高频变压器的研究，较多的集中在变压器的高频损耗特性、漏感特性以及优化设计和应用研究上[2]，对分布电容的影响及其模型研究则进展较少，主要还局限于传统的模型。变压器在开关电源中主要是实现能量储存和传递，起隔离、变压的作用，但由于变压器内不可避免地存在分布电容参数，在高频开关电压作用下变压器的电容效应不仅影响开关损耗、高频阻抗特性，严重影响电磁干扰发射，也是EMI噪音的重要耦合通道，随着对电磁干扰要求的逐渐严格，对变压器高频下分布电容的研究日益受到重视[3-9]。本文首先分析了目前普遍使用的、反映变压器内电场能量特性的传统模型及其参数测量方法。根122中国电机工程学报第27卷据电磁干扰中共模噪音的特点，指出目前模型的不足之处，它并不能完整描述变压器对共模噪音的影响特性。第2节中提出采用二端口网络转移电容的概念来表达共模噪音的流动。类同于能量端口有效电容的计算，将二端口网络转移电容也等效为端口有效电容，称之为共模端口有效电容。根据两个端口有效电容的差异，在第3节中建立了新的变压器分布电容模型，该模型同时描述了变压器储存电场能量特性和变压器内电荷流动形成共模噪音电流的特性。在文章的最后部分给出了新模型的仿真和测试结果及结论。1现有变压器模型介绍图1是目前普遍使用的变压器模型[5-7]，该模型含有3个集总电容，包括原边绕组电容Cp，副边绕组杂散电容Cs，原边和副边绕组间的杂散电容Cps1、Cps2。其中Cp和Cs分别反映了变压器内原边和副边各自内部存储的电场能量，而Cps1、Cps2则代表了变压器原边和副边的电场耦合能力，是影响共模电流大小的重要因素之一，是电磁干扰分析中的关键参数，也是本文关注的重点。Cps1Lk2Rs2CsCpLk1Rs1Cps2图1现有的变压器模型Fig.1Presenttransformermodel传统模型中的电容参数一般可以通过测量得到，对Cp和Cs，一般可以通过谐振法得到，测量时为避免铁心影响可以将铁心取下，通过阻抗曲线的谐振点fr，用公式12rfLC=π计算得到；变压器原边和副边间的电容Cps1、Cps2，可以用LCR表或阻抗分析仪直接测量两个绕组间的电容。至于电容Cps1、Cps2的计算，由于一般情况下高频变压器线圈宽度比层间距大得多，线圈在紧密绕制时匝间距很小，变压器的绕组间电容有时也利用平行极板电容计算公式或其他经验公式估算得到[10-13]。在开关电源的电磁干扰分析中，变压器原边和副边间的电容Cps1、Cps2是共模干扰噪音的重要通道，对该电容的测量和估算是准确预测共模噪音并采取有效抑制措施的前提条件。按照以往直接测量变压器原边和副边得到的电容在实际电路分析中存在很大的问题，例如直接用LCR表测得的Cps1、Cps2，就无法考虑到变压器绕组线圈上的电位分布的影响，其电容值仅由绕组相对面积和绕组间的间距等结构参数决定，很多文献称之为结构电容。而在实际应用中，变压器线圈各匝间电位分布不是固定值而是有一定的电位梯度分布，因此在电路分析中采用上述方法测量得到的电容参数不能准确描述变压器的实际电容效应，需要采用能够反映变压器绕组电位分布的变压器容性参数测试手段和计算方法。在考虑变压器绕组各匝匝间存在不同电位分布的情况下，变压器的绕组间电容一般通过变压器的电场存储能量来计算[10]，得到变压器的能量端口有效电容，其推导过程如下。高频变压器的激磁主磁通一般远远大于漏磁通，所以激磁线圈每匝所链过的磁通基本相同，每匝的感应电动势，或激磁感抗也基本相同，而且每匝线圈的交流电阻相比激磁感抗完全可以忽略，因此可以认为变压器线圈的电位沿绕组匝数线性分布，即每一匝线圈的电压降均相同[3]。为便于分析，变压器的原边和副边均取单层绕组进行分析，如图2所示绕组的宽度为w，原边上施加的电压为Up，副边施加的电压为Us。在变压器绕组电压沿线圈均匀分布的前提下，绕组间任意位置x处原、副边间的电位差可以表示为ps()xuUUwΔ=−(1)UpC0/3UpUsUsUpC0/3wxdxport1图2一端口参数—能量端口有效电容Fig.2Oneportparameter-energyeffectivecapacitanceCE储存在变压器绕组间的电场能量We可以用积分式(2)计算得到：20e01()d2wCWw=Δ∫ux(2)其中C0是变压器原边和副边间的结构电容。将积分计算得到的电场能量归算到变压器的原边电位点Up处，得到相对于变压器原边电位的能量端口等效电容CE。2Epe12CUW=(3)化简为第31期董纪清等：开关电源高频变压器电容效应建模与分析123ps2E0p(13UUCUC−=)(4)当变压器原边的匝数远大于副边匝数时，将副边绕组看作为0电位以简化分析不会带来太大的误差，这样用能量等效计算得到的端口有效电容可以进一步简化为CE=C0/3。2共模端口有效电容变压器的分布电容是共模电流传输通路的重要参数，用变压器存储电场能量归算得到的能量端口有效电容，并不能反映变压器对共模电流传导的特性，因为变压器的能量端口有效电容是一端口网络参数，是从电压施加侧看进去的同一端的等效电容，它反映了变压器存储电场能量的能力。而描述变压器内共模噪音电流流动的有效电容应该是一个二端口网路参数，即噪音源施加于变压器的一端口，而共模噪音电流是经两个绕组间的分布电容由另一端口流出。图3以反激式开关电源为例解释了其中的差异，原边噪音源产生的共模噪音经变压器绕组间电容耦合到变压器的副边，流入副边由对地分布电容经LISN阻抗回到地。图3(a)是由储存能量得到的能量端口有效电容，该等效电容是将原边和副边间的存储能量归算至原边电位Up，归算得到的能量端口有效电容反映了原边和副边之间所存储的电场能量，是原边施加电位Up的参数CE=f(Up)，是一端口的阻抗参数。图3(b)中则体现了原边所施加电压Up的情况下，共模电流由变压器副边流出，其对应的有效电容体现了变压器一端口施加电压，另一端口出现的共模电流大小的二端口转移阻抗的概念CQ=f(Up,iCM)。明显的基于能量计算得到的描述一端口的有效电容并不等同于描述共模噪音的二端口有效转移阻抗电容，不适合用来分析共模噪音电流。用于衡量变压器共模抑制能力的电容是个二端口参数，在已知一个端口施加的电位分布的情况port1UpCgCDLISN(a)一端口能量有效电容port1UpCgCDLISN(b)二端口共模有效电容port2iCM图3反激式电源中变压器两种电容特性Fig.3TwokindsofcapacitancecharacteristicsoftransformerinFlybackconverter下，通过计算另一个端口的形成共模噪音的电荷可以计算得到归算至端口电压的有效电容，为区分两种端口有效电容，本文将此二端口转移参数称之为共模端口有效电容(图4)。UpC0/2UpUsUsUpC0/2wxdxport1port2图4采用电荷计算共模端口有效电容Fig.4CMterminaleffectivecap.Calculationbasedoncharge在考虑变压器绕组线圈电位分布已知的前提下，变压器副边绕组所感应出的电荷量可以由式(5)计算得到：00()dwCQw=Δ∫ux(5)将式(5)计算得到的电荷量，归算于原边的端口电压Up，得到用集总参数表示的共模端口有效电容C