EPC高頻變壓器分布參數及其影響的分析

1、引言

　　行波管放大器（TWTA）具有寬頻帶、高增益、高效率等優點，被廣泛應用于微波通信、雷達和電子對抗等技術領域中。

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

　　理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積、重量與供電頻率的平方根成反比。所以，實現電路小型化、輕量化最直接的途徑是提高開關頻率。由于受限于火箭的運載能力，對星載EPC的體積、重量方面提出了嚴格的限制，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變壓器。它與普通變壓器的區別大致有以下幾點：

　　（1）電源電壓不是正弦波，而是交流方波，初級繞組中電流都是非正弦波;

　　（2）變壓器的工作頻率比較高，通常都在幾十千赫茲，甚至高達幾十萬赫茲。在確定磁心材料及損耗時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，為了簡化分析過程，通常忽略功率變壓器的勵磁電感和漏感，以便獲得電路工作的基本原理和基本特征。實際上，寄生參量是客觀存在的，而且隨著開關頻率的提高，分布參數的影響越嚴重。

　　（1）勵磁電感

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

　　（2）漏感

　　在實際變壓器中，如果初級與次級之間、匝與匝之間、層與層之間磁通沒有完全耦合，就會產生漏感。漏感能量表示線圈間不耦合磁通經過的空間存儲的能量。在等效電路中，漏感與理想變壓器激勵線圈串聯，其存儲的能量與激勵線圈電流的平方成正比。

　　（3）分布電容

　　在實際變壓器的繞組中存在著分布電容，尤其存在于線圈導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一個集中的電容。

　　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、次級繞組電阻、次級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里，得到如圖2所示簡化的等效電路。設變壓器原邊匝數為N1，副邊匝數為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
figure1generalequivalentcircuitsoftransformer

圖2簡化的變壓器等效電路
figure2simplifiedequivalentcircuitsoftransformer

3、變壓器分布參數影響的理論分析

　　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、脈沖后沿進行說明[3]。

　　（1）脈沖前沿

　　在脈沖前沿，時間變化很快，因而漏感和分布電容上就產生很強的電流及電壓變化，而對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。

　　計算節點X的電流，并通過對它的方程求倒數，就能得到二次微分方程

圖3上升沿等效電路
figure3equivalentcircuitsofascendingedge

　　（2）脈沖頂部

　　在脈沖頂部時，脈沖持續期內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，勵磁電感起重要作用。由此得到圖4所示的脈沖平頂的等效電路。

　　計算節點X的電流，得到一次微分方程：這個方程的解是：

圖4脈沖平頂等效電路
figure4equivalentcircuitsofflatpart

　　（3）脈沖后沿

　　漏感通常比勵磁電感小很多，可以忽略。脈沖后沿時，儲存在勵磁電感中的磁能和分布電容中的電能釋放能量，因此勵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。

　　計算節點X的電流，得到二次微分方程：

圖5下降沿等效電路
figure5equivalentcircuitsofdescendingedge

4、變壓器分布參數影響的仿真分析

　　根據以上分析，用軟件PSPICE進行仿真。所使用的參數如圖6所示，仿真波形如圖7所示。

圖6仿真原理圖
figure6schematicdiagramofthesimulation

圖7用PSPICE計算出的波形
figure7thewaveformcomputedbyPSPICE

　　由圖7的仿真波形可見，由于分布參數的存在，在上升沿時具有上沖，在下降沿時存在下沖。互感和漏感能量在開關轉換瞬時引起電壓尖峰，造成損耗增加，嚴重時會造成開關管損壞，同時也是EMI的主要來源，因此必須加以控制。

5、變壓器分布參數的抑制和利用

　　5.1變壓器分布參數的抑制

　　根據漏感和分布電容的產生原因，可以采取以下措施來進行抑制。

　　（1）減少漏感的方法

　　①減少繞組的匝數，選用高飽和磁感應強度、低損耗的磁性材料;

　　②減少繞組的厚度，增加繞組的高度;

　　③盡可能減少繞組間的絕緣厚度;

　　④初、次級繞組采用分層交叉繞制;

　　⑤初、次級繞線應雙線并繞。

　　（2）減少分布電容的方法

　　①繞組分段繞制;

　　②正確安排繞組的極性，減少它們之間的電位差;

　　③采用靜電屏蔽措施。

　　5.2變壓器分布參數的利用

　　為滿足小型化要求，同時克服分布參數的影響，使開關變換器在高頻下高效率地運行，自20世紀70年代以來，國內外不斷研究開發高頻軟開關技術[4]。軟開關技術很好地利用了電路中的分布參數，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給出的相應仿真波形，較為形象地說明了軟開關利用分布參數所達到的效果。

圖9用PSPICE計算出的波形
figure9thewaveformcomputedbyPSPICE

圖8諧振變換器電路
figure8theresonantconvertor

6、結束語

　　當變壓器高頻化后，隨之而來的有很多問題，比如鐵損和銅損的增加，趨膚效應和臨近效應的加強等。由此可見，針對不同的場合，應根據不同工作要求，合理設計變壓器，盡可能減小漏感和分布電容，增大勵磁電感，使變壓器性能接近理想情況。本文作者創新點:針對高頻變壓器分布參數問題,做了仿真分析并提出了在設計和繞制變壓器時能夠減小分布參數的幾種措施。

參考文獻：

　　 [1]JerzyDora,JanPyzik,JanuszSobanski.TWTApowersupplyunit.Microwaves,RadarandWirelessCommunications,2002.MIKON- 2002.14thInternationalConferenceonVolume2,20-22May2002Page（s）:693–696.

　　 [2]NeilFraser.HighPowerRadarTransmitterPowerSuppliesfor500Wto1500WTransmitters.PowerElectronicsforDemandingApplications（Ref.No.1999/059）.

　　[3]沈堅.脈沖變壓器寄生參數和勵磁電感對脈沖波形的影響，南京十四研究所

　　[4]常文平，范崢，王曉敏.變壓器故障在線監測系統及其應用，微計算機信息2005（12）:125～127.