CN111312489A - 一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法，涉及变压器技术领域。本发明对变压器各绕组排列优化设计，将原边绕组分为第一原边绕组、第二原边绕组和第三原边绕组，按照从磁芯中心柱到磁芯边柱的方向，变压器绕组的排列顺序依次为：第一原边绕组、副边绕组、平衡绕组、辅助绕组、第二原边绕组、第三原边绕组；还构建位移电流的数值分析模型，通过优化绕组参数设计使得产生共模噪声的位移电流为零。本发明同时从噪声源和噪声路径两方面共同减小共模噪声，实现了不采用Y型接线电容的情况下对共模噪声的消除，优化了变压器的EMI性能。

Description

一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法
技术领域
本发明涉及变压器技术领域，具体涉及一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法。
背景技术
在小功率变换器的应用场合中，反激变换器是应用最广泛的拓扑之一。它的拓扑结构导致原边功率管和副边整流管突然关断时会产生很大的dv/dt，由于绕组之间、绕组和地之间存在很多寄生电容，产生的电流在电源线和大地之间形成回路，因此造成很大的共模噪声。通常采用在原边地和副边地之间连接Y型接线电容来有效抑制共模噪声，然而这种方法会导致泄漏电流增大，因此在很多应用场合中存在安全隐患，所以需要研究一种既不采用Y型接线电容又能减小共模噪声的新方法。
减小共模噪声，可以从两方面考虑，分别是从噪声源侧减小噪声以及阻断噪声传播途径，这两种方式均可以通过优化设计变压器绕组的排布方式来实现。现有技术中，变压器绕组排布策略中，主要是抛弃原有的三明治绕组结构且在层与层之间增加绝缘距离，以此减少原边绕组和副边绕组之间的寄生电容。然而，这种方法增加了需要使用的窗口面积，此外，只能尽量减小原边副边之间的共模噪声，而不能完全消除噪声。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术所存在的不足而提出一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法，对变压器绕组排列进行优化设计，并构建位移电流的数值分析模型，通过优化绕组参数设计使得产生共模噪声的位移电流为零，实现了不采用Y型接线电容的情况下对共模噪声的消除，改善了变压器的电磁干扰性能。
为了解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：
本发明提出的一种变压器绕组排列方法中，变压器的绕组包括：原边绕组，平衡绕组，辅助绕组，副边绕组。其中，原边绕组包括：第一原边绕组、第二原边绕组和第三原边绕组。
本发明提出的一种变压器绕组排列方法，从磁芯中心柱向磁芯边柱依次排列，其顺序为：第一原边绕组、副边绕组、平衡绕组、辅助绕组、第二原边绕组、第三原边绕组。
原边绕组的总匝数为NP，第一原边绕组的匝数为NP1，第二原边绕组的匝数为NP2，第三原边绕组的匝数为NP3，各原边绕组的匝数之间的关系满足以下公式：
Figure BDA0002388066000000021
副边绕组的匝数为NS，平衡绕组的匝数为NB，辅助绕组的匝数为NA。其中，第一原边绕组的匝数NP1与副边绕组的匝数NS相同。
进一步，第一原边绕组的起绕端为A端、另一端为A1端，副边绕组的起绕端为C端、另一端为D端，平衡绕组的起绕端为NC端、另一端为A端，辅助绕组的起绕端为E端、另一端为F端，第二原边绕组的起绕端为A1端、另一端是A2端，第三原边绕组的起绕端为A2端，另一端为B端。其中，第一原边绕组的另一端A1端是第二原边绕组的起绕端A1端，第二原边绕组的另一端A2端是第三原边绕组的起绕端A2端。
进一步，第一原边绕组的A端、副边绕组的D端、平衡绕组的A端、辅助绕组的F端以及第三原边绕组的B端是同名端。
第一绕组间寄生电容是第一原边绕组和副边绕组之间的寄生电容，第二绕组间寄生电容是第二原边绕组和副边绕组之间的寄生电容，第三绕组间寄生电容是第三原边绕组和副边绕组之间的寄生电容，第四绕组间寄生电容是平衡绕组和副边绕组之间的寄生电容，第五绕组间寄生电容是辅助绕组和副边绕组之间的寄生电容。
第一绕组磁芯间寄生电容是第一原边绕组和左侧磁芯中心柱之间的寄生电容，第二绕组磁芯间寄生电容是第一原边绕组和右侧磁芯中心柱之间的寄生电容，第三绕组磁芯间寄生电容是第三原边绕组和左侧磁芯下边柱之间的寄生电容，第四绕组磁芯间寄生电容是第三原边绕组和右侧磁芯下边柱之间的寄生电容。其余绕组和磁芯之间的寄生电容，由于距离较远而电容值很小，因此可以忽略。
在本发明提出的一种变压器绕组排列中，绕组间寄生电容和绕组磁芯间电容的存在，为位移电流提供了通路，位移电流包括：第一位移电流，从第一原边绕组流向副边绕组；第二位移电流，从第二原边绕组流向副边绕组；第三位移电流，从第三原边绕组流向副边绕组；第四位移电流，从平衡绕组流向副边绕组；第五位移电流，从辅助绕组流向副边绕组；第六位移电流，从第一原边绕组经由左侧磁芯流向第三原边绕组；第七位移电流，从第一原边绕组经由右侧磁芯流向第三原边绕组。各绕组的电位在各个绕组上均匀分布，设定位移电流的正方向是从原边绕组流向副边绕组。
由于第一原边绕组靠近磁芯中心柱布置，而第二原边绕组和第三原边绕组靠近磁芯边柱布置，因此通过磁芯通路传播的噪声从不易消除的共模噪声变成易于消除的差模噪声；并且第一原边绕组的匝数NP1与副边绕组的匝数NS相同，因此第一原边绕组和副边绕组之间电位变化相同，不存在位移电流。
本发明提出一种变压器绕组排列方法中，位移电流的数值分析方法如下：
构建三组坐标系图，第一组图的上半部分是原边绕组的电位随绕组在磁芯窗口中位置的分布图，第二组图的上半部分是平衡绕组的电位随绕组在磁芯窗口中位置的分布图，第三组图的上半部分是辅助绕组的电位变化随绕组在磁芯窗口中位置的分布图。而三组图的下半部分均为副边绕组的电位随绕组在磁芯窗口中位置的分布图。
变压器的位移电流包括：第一位移电流、第二位移电流、第三位移电流、第四位移电流、第五位移电流。根据第一绕组间寄生电容、第二绕组间寄生电容、第三绕组间寄生电容、第四绕组间寄生电容和第五绕组间寄生电容两端的电压电流公式分别计算第一位移电流、第二位移电流、第三位移电流、第四位移电流、第五位移电流。
通过位移电流的数值分析方法，可以同时从噪声源和噪声路径两个方面减小共模噪声，在去除Y型接线电容的情况下，通过绕组匝数的配比将位移电流减小到0，即消除了共模噪声，提高EMI性能。
本发明提出的一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法，相比现有技术，具有以下效益：
1、同时从噪声源和噪声路径两方面共同减小共模噪声，并且通过绕组匝数的配比实现位移电流为零，即彻底消除共模噪声，提高EMI性能。
2、将通过磁芯通路传递的噪声从不易消除的共模噪声变成容易消除的差模噪声，简化了噪声消除难度。
3、新增的平衡绕组的位移电流方向从副边到原边，能够抵消部分从原边到副边的位移电流，通过合适的匝数配比能够实现位移电流为0，彻底消除共模噪声。
4、位移电流的数值仿真分析方法，使得共模噪声大小数值化，从而简化变压器绕组设计。
附图说明
图1是本发明提出的一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法中，变压器绕组排列图。
图2是反激变换器拓扑结构图。
图3是本发明提出的一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法中，变压器原边绕组P、辅助绕组AUX、平衡绕组BALANCED和副边绕组S之间的电位变化和位移电流分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
实施例1。本发明提出的一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法中，变压器绕组排列如图1所示，图1(a)是变压器的磁芯架构示意图，磁芯架构包括：左侧磁芯1、右侧磁芯2。左侧磁芯1和右侧磁芯2都是E型磁芯。左侧磁芯1包括：左侧磁芯上边柱10、左侧磁芯中心柱11、左侧磁芯下边柱12、左侧磁芯立柱13；右侧磁芯2包括：右侧磁芯上边柱20、右侧磁芯中心柱21、右侧磁芯下边柱22、右侧磁芯立柱23。左侧磁芯1和右侧型磁芯2构成上磁芯窗口100和下磁芯窗口200。图1(b)是图1(a)中的下磁芯窗口200中各绕组的排列示意图。
本发明提出的一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法中，变压器绕组包括：原边绕组P、副边绕组S、平衡绕组BALANCED和辅助绕组AUX。其中，原边绕组P包括：第一原边绕组P1、第二原边绕组P2和第三原边绕组P3。从左侧磁芯中心柱11、右侧磁芯中心柱21分别向左侧磁芯下边柱12、右侧磁芯下边柱22，排列的变压器绕组依次为：第一原边绕组P1、副边绕组S、平衡绕组BALANCED、辅助绕组AUX、第二原边绕组P2、第三原边绕组P3。原边绕组P的总匝数为NP，其中第一原边绕组P1的匝数为NP1，第二原边绕组P2的匝数为NP2，第三原边绕组P3的匝数为NP3。各原边绕组的匝数之间的关系满足以下公式：
Figure BDA0002388066000000051
副边绕组S的匝数为NS，平衡绕组BALANCED的匝数为NB，辅助绕组AUX的匝数为NA。其中，第一原边绕组P1的匝数NP1与副边绕组S的匝数NS相同。
其中，第一原边绕组P1的起绕端为A、另一端为A1，副边绕组S的起绕端为C、另一端为D，平衡绕组BALANCED的起绕端为NC、另一端为A，辅助绕组AUX的起绕端为E、另一端为F，第二原边绕组P2的起绕端为A1、另一端是A2，第三原边绕组P3的起绕端为A2，另一端为B。其中，第一原边绕组P1的另一端A1是第二原边绕组P2的起绕端A1，第二原边绕组P2的另一端A2是第三原边绕组P3的起绕端A2。进一步，第一原边绕组P1的A端、副边绕组S的D端、平衡绕组BALANCED的A端、辅助绕组AUX的F端以及第三原边绕组P3的B端是同名端。
第一绕组间寄生电容CP1S是第一原边绕组P1和副边绕组S之间的寄生电容，第二绕组间寄生电容CP2S是第二原边绕组P2和副边绕组S之间的寄生电容，第三绕组间寄生电容CP3S是第三原边绕组P3和副边绕组S之间的寄生电容，第四绕组间寄生电容CBS是平衡绕组BALANCED和副边绕组S之间的寄生电容，第五绕组间寄生电容CAS是辅助绕组AUX和副边绕组S之间的寄生电容。
第一绕组磁芯间寄生电容Cwc_1是第一原边绕组P1和左侧磁芯中心柱11之间的寄生电容，第二绕组磁芯间寄生电容Cwc_2是第一原边绕组P1和右侧磁芯中心柱21之间的寄生电容，第三绕组磁芯间寄生电容Cwc_3是第三原边绕组P3和左侧磁芯下边柱12之间的寄生电容，第四绕组磁芯间寄生电容Cwc_4是第三原边绕组P3和右侧磁芯下边柱22之间的寄生电容。
其余绕组和磁芯之间的寄生电容，由于距离较远而电容值很小，因此可以忽略。
在本发明提出的一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法中，绕组间寄生电容和绕组磁芯间电容的存在，为位移电流提供了通路，位移电流包括：第一位移电流ICM_P1S，从第一原边绕组流向副边绕组；第二位移电流ICM_P2S，从第二原边绕组流向副边绕组；第三位移电流ICM_P3S，从第三原边绕组流向副边绕组；第四位移电流ICM_BALANCED_S，从平衡绕组流向副边绕组；第五位移电流ICM_AUX_S，从辅助绕组流向副边绕组；第六位移电流ICM_P1LP3，从第一原边绕组经由左侧磁芯流向第三原边绕组；第七位移电流ICM_P1RP3，从第一原边绕组经由右侧磁芯流向第三原边绕组。各绕组的电位在各个绕组上均匀分布，设定位移电流的正方向是从原边绕组流向副边绕组。
由于第一原边绕组P1靠近左侧磁芯中心柱11和右侧磁芯中心柱21布置，而第二原边绕组P2和第三原边绕组P3靠近左侧磁芯下边柱12和右侧磁芯下边柱22布置，通过磁芯通路传播的噪声变成易于消除的差模噪声；并且第一原边绕组P1的匝数NP1与副边绕组S的匝数NS相同，因此第一原边绕组P1和副边绕组S之间电位变化相同，不存在位移电流。
实施例2。在优选实施例中，将本发明提出的变压器结构应用于反激变换器，所采用的反激变换器的拓扑结构如图2所示。
反激变换器的拓扑结构包括：线性阻抗稳定网络部分LISN和变换器部分TRAN。
变换器部分TRAN包括：变压器Tr、原边主功率管Q1，第一二极管D1、第二二极管D2、第一输出滤波电容C1、第二输出滤波电容C2、第三电容C3。其中，变压器Tr包括：原边绕组P、副边绕组S、平衡绕组BALANCED、辅助绕组AUX。
线性阻抗稳定网络LISN的L端连接第三电容C3的一端，N端连接第三电容C3的另一端。
变压器Tr原边绕组P的A端连接第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端连接原边主功率管Q1的源极，原边主功率管Q1的漏极连接原边绕组P的B端。变压器Tr副边绕组S的D端连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极连接第二输出滤波电容C2的一端，第二输出滤波电容C2的另一端连接副边绕组S的C端。变压器Tr辅助绕组AUX的F端连接第一二极管D1的阳极，第一二极管D1的阴极连接第一输出滤波电容C1的一端，第一输出滤波电容C1的另一端连接辅助绕组AUX的E端。变压器Tr平衡绕组BALANCED的A端接原边绕组P的A端，平衡绕组BALANCED的NC端浮空不接。第三电容C3的另一端、原边主功率管Q1的源极、第一输出滤波电容C1的另一端以及辅助绕组AUX的E端均连接于原边地PGND。第二输出滤波电容C2的另一端、副边绕组S的C端均连接于副边地SGND。
变换器部分TRAN的输入电压是直流电压Vin、输出电压是直流电压Vo。直流电压Vin自变压器Tr原边绕组P的A端输入，直流电压Vo自第二二极管D2的阴极输出。
第一寄生电容CPE是原边地PGND和大地EARTH之间的寄生电容，第二寄生电容CSE是副边地SGND和大地EARTH之间的寄生电容。
变换器部分工作时，原边绕组P和平衡绕组BALANCED的A端均连接输入直流电压Vin，由于辅助绕组AUX的E端连接原边地PGND，副边绕组S的C端连接副边地SGND，因此辅助绕组AUX的E端的电位和副边绕组S的C端的点位均不会发生变化，定位为静态点。原边绕组P的B端的电位会随着主功率管Q1的开通和关断而发生变化，定义为动态点；辅助绕组AUX的F端的点位、副边绕组S的D端的点位以及平衡绕组BALANCED的NC端的电位，相对于静态点均会发生变化，因此也定义为动态点。
实施例3。在反激变换器工作时，本发明提出的变压器绕组排列方式下，位于原边位置的各绕组和副边绕组S之间的电位变化和位移电流分布如图3所示。在图3中，各电位变化和位移电流分布图的横坐标都表示同一层上的第一原边绕组P1、第二原边绕组P2、第三原边绕组P3、副边绕组S、辅助绕组AUX和平衡绕组BALANCED的各个匝距离左侧磁芯立柱13的距离，其中横坐标的起点表示各绕组距离左侧磁芯立柱13最近的一匝，因此横坐标的起点定义为磁芯窗口最左侧；纵坐标以0V为起点，表示电位变化的大小，电位在各个绕组上均匀分布。
假设位移电流的正方向是从原边绕组流向副边绕组的方向。
图3(a)包括原边绕组P的B端电位变化图和副边绕组S的D端电位变化图。
原边绕组P的B端电位VB，满足关系式：
Figure BDA0002388066000000081
进一步，第一原边绕组P1的A端电位为零，第一原边绕组P1的A1端电位为
Figure BDA0002388066000000082
第二原边绕组P2的A2端电位为
Figure BDA0002388066000000083
副边绕组S的D端电位VD，满足关系式：
Figure BDA0002388066000000084
进一步，副边绕组S的C端电位为零。
原边绕组P和副边绕组S之间的位移电流ICM_PS包括三部分：第一原边绕组P1流向副边绕组S的第一位移电流ICM_P1S、第二原边绕组P2流向副边绕组S的第二位移电流ICM_P2S和第三原边绕组P3流向副边绕组S的第三位移电流ICM_P3S。根据电位变化在绕组上均匀分布和电容两端的电压电流关系，得到位移电流满足关系式：
Figure BDA0002388066000000085
因此，原边绕组P和副边绕组S之间的位移电流ICM_PS由以下公式求得：
Figure BDA0002388066000000086
图3(b)包括平衡绕组BALANCED的NC端电位变化图和副边绕组S的D端电位变化图。
平衡绕组BALANCED的NC端电位VNC，满足关系式：
Figure BDA0002388066000000087
Figure BDA0002388066000000088
由于平衡绕组BALANCED的NC端和原边绕组P的B端不是同名端，所以电位变化方向相反。
平衡绕组BALANCED流向副边绕组S的第四位移电流ICM_BALANCED_S由以下公式求得：
Figure BDA0002388066000000089
图3(c)包括辅助绕组AUX的F端电位变化图和副边绕组S的D端电位变化图。
辅助绕组AUX的F端电位VF，满足关系式：
Figure BDA00023880660000000810
辅助绕组AUX的E端电位VE为零。
辅助绕组AUX流向副边绕组S的第五位移电流ICM_AUX_S由以下公式求得：
Figure BDA0002388066000000091
在本优选实施例中，考虑各寄生电容的大小和上下极板的距离成反比，假设NP1＝NS，NP2＝NP3,CP1S＝CBS,
Figure BDA0002388066000000092
因此，变压器的位移电流ICM由以下公式求得：
Figure BDA0002388066000000093
并且，在本优化架构实例实施中，当原边绕组P的匝数NP和副边绕组S的匝数NS固定不变时，经过配比辅助绕组AUX的匝数NA和平衡绕组BALANCED的匝数NB相等，能够实现位移电流ICM为零，因此产生的共模噪声也为零，从而优化了变压器的EMI特性。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种变压器绕组排列方法及其位移电流数值分析方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (4)

1.一种变压器绕组排列方法，其中变压器绕组包括原边绕组、平衡绕组、辅助绕组和副边绕组，其特征在于：所述原边绕组包括：第一原边绕组、第二原边绕组和第三原边绕组；
按照从磁芯中心柱到磁芯边柱的方向，变压器绕组的排列顺序依次为：第一原边绕组、副边绕组、平衡绕组、辅助绕组、第二原边绕组、第三原边绕组；
所述第一原边绕组的起绕端为A、另一端为A1，所述副边绕组的起绕端为C、另一端为D，所述平衡绕组的起绕端为NC、另一端为A，所述辅助绕组的起绕端为E、另一端为F，所述第二原边绕组的起绕端为A1、另一端是A2，所述第三原边绕组的起绕端为A2，另一端为B；其中，第一原边绕组的另一端A1是第二原边绕组的起绕端A1，第二原边绕组的另一端A2是第三原边绕组的起绕端A2；第一原边绕组的A端、副边绕组的D端、平衡绕组的A端、辅助绕组的F端以及第三原边绕组的B端是同名端；
原边绕组的总匝数为NP，第一原边绕组的匝数为NP1，第二原边绕组的匝数为NP2，第三原边绕组的匝数为NP3；副边绕组的匝数为NS，平衡绕组的匝数为NB，辅助绕组的匝数为NA；其中，第一原边绕组的匝数NP1与副边绕组的匝数NS相同；
其中，原边绕组的总匝数为NP，第一原边绕组的匝数为NP1，第二原边绕组的匝数为NP2，第三原边绕组的匝数为NP3之间的关系满足公式：
Figure FDA0002388065990000011
2.一种变压器位移电流的数值分析方法，该变压器的绕组采用权利要求1所述的一种变压器绕组排列方法而排列，其特征在于：
构建三组坐标系图，第一组图的上半部分是原边绕组的电位随绕组在磁芯窗口中位置的分布图，第二组图的上半部分是平衡绕组的电位随绕组在磁芯窗口中位置的分布图，第三组图的上半部分是辅助绕组的电位变化随绕组在磁芯窗口中位置的分布图；而三组图的下半部分均为副边绕组的电位随绕组在磁芯窗口中位置的分布图；
变压器的位移电流包括：从第一原边绕组流向副边绕组的第一位移电流、从第二原边绕组流向副边绕的第二位移电流、从第三原边绕组流向副边绕组的第三位移电流、从平衡绕组流向副边绕组的第四位移电流、从辅助绕组流向副边绕组的第五位移电流；
根据第一绕组间寄生电容、第二绕组间寄生电容、第三绕组间寄生电容、第四绕组间寄生电容和第五绕组间寄生电容两端的电压电流公式分别计算第一位移电流、第二位移电流、第三位移电流、第四位移电流、第五位移电流。
3.根据权利要求2所述的一种变压器位移电流的数值分析方法，其特征在于：第一绕组间寄生电容是第一原边绕组和副边绕组之间的寄生电容，第二绕组间寄生电容是第二原边绕组和副边绕组之间的寄生电容，第三绕组间寄生电容是第三原边绕组和副边绕组之间的寄生电容，第四绕组间寄生电容是平衡绕组和副边绕组之间的寄生电容，第五绕组间寄生电容是辅助绕组和副边绕组之间的寄生电容。
4.根据权利要求2所述的一种变压器位移电流的数值分析方法，其特征在于：当原边绕组的匝数NP和副边绕组的匝数NS固定不变时，经过配比辅助绕组的匝数NA和平衡绕组的匝数NB相等，变压器位移电流为零。
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