CN113158488B - 一种变压器线圈寄生电容消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变压器线圈寄生电容消除方法，其包括建立等效分析模型电路，设立模型组，模型组为至少两个绕组任意组合，基于模型电路分析模型组中任意一个绕组中的寄生电容对另一个绕组的影响，在磁芯中产生磁通量；在模型组中任意一个绕组上按照计算公式布置方向为负的消除电容，以消除剩下绕组中任意一个与其对应的绕组上寄生电容的影响。本发明通过消除变压器的寄生电容，从而降低EMI，提高变压器传递交流电压的精准度，可以获得一个线性度高的、较为理想的交流电压分压器件。

Description

一种变压器线圈寄生电容消除方法

技术领域

本发明涉及高精度测量技术领域，尤其涉及一种变压器线圈寄生电容消除方法。

背景技术

随着仪器仪表制造行业的发展，电子科技的进步，仪器仪表行业目前的发展面临着困境，这有很多原因，现代仪器仪表设计正朝着高精度化、高准确度的方向不断追求极致似的发展。如何将仪器仪表的测量系统误差尽可能的消除，成为仪器仪表制造商最为关注的核心问题之一。

实际使用的变压器由于其绕组线圈不可避免存在绕组阻抗和寄生电容的影响。这是由于绕组中大面积的叠层会加剧变压器的电容效应,会严重影响变换器的工作性能。初级绕组和次级绕组之间的寄生电容为共模噪声提供了低阻抗路径,从而导致严重的EMI问题。并且，寄生电容的储能特性使变压器输入电流增加，导致变换器效率降低、二次侧整流装置电压应力高等问题。因此，在设计变换器的过程中必须考虑变压器寄生电容的影响，如何消除变压器的寄生电容成为研究的重点。

另外，谈到变压器或者电感器等电感寄生电容消除影响时，经常寄希望在工艺上下功夫，当然，会有所改善，但是却带来其他负面效果：工艺成本高，带来漏感增大，体积增大，成本增加等不利因数。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种通过消除变压器的寄生电容，从而降低EMI，提高变压器传递交流电压的精准度，可以获得一个线性度高的、较为理想的交流电压分压器件的变压器线圈寄生电容消除方法。

为了实现上述主要目的，本发明提供的一种变压器线圈寄生电容消除方法，包括建立等效分析模型电路；设立模型组，所述模型组为至少两个绕组任意组合；基于模型电路分析模型组中任意一个绕组中的寄生电容对另一个绕组的影响，在磁芯中产生磁通量；在所述模型组中任意一个绕组上按照计算公式布置方向为负的消除电容，以消除剩下绕组中任意一个与其对应的绕组上寄生电容的影响。

进一步的方案中，在所述模型组中任意两个或两个以上绕组上按照计算公式布置方向为负的消除电容，以消除剩下绕组中任意两个或两个以上与其对应的绕组上寄生电容的影响，或者在所述模型组中所有绕组上按照计算公式布置方向为负的消除电容，以消除所述模型组中与其一一对应的所有绕组上寄生电容的影响。

更进一步的方案中，建立等效分析模型电路具体包括：在一个环形铁芯上紧密绕制三个绕组L1、L2、L3，其匝数分别为N1、N2、N3，其产生的寄生电容分别是电容C1、C2、C3。

更进一步的方案中，分析L2、L3绕组中的寄生电容对L1绕组的影响，假设给L1绕组一个激励V1，将在磁芯中形成磁通量θ，假设电容C2形成的电流i_C2在磁芯中的磁通量为θ₂，表示为公式(1)：

其中，θ₂为L2绕组感应电流在磁芯产生的磁通量；u为磁芯相对磁导率；S为磁芯横截面积；i_C2为L2绕组感应电流；ω为角频率；C₂为L2绕组寄生电容。

更进一步的方案中，对磁通量θ₂进行单独分析，在L1绕组上产生电流

在变压器一次侧满足公式(2)：

其中，

为θ₂在L1绕组上产生的电流；

为因L2绕组寄生电容影响，折算到L1绕组上等效产生的电容。

更进一步的方案中，由公式(1)、公式(2)可以得到公式(3)：

从公式(3)可得，在磁芯中增加一个磁通量-θ₂，即在L1绕组中添加一个负电容

可实现完全消除L2绕组上寄生电容C₂对变压器合理准确变压的影响，即相当于消除了L2绕组上寄生电容。

更进一步的方案中，L1绕组上等效的全部寄生电容的计算为公式(4)：

其中，

为L1绕组上自身寄生电容加上L2与L3绕组上寄生电容折算到L1绕组上一起的等效的全部寄生电容。

更进一步的方案中，设置所有绕组所使用绕线材质相同，则满足

与

L₁绕组工作中的谐振频率为公式(5)：

其中，

为L1绕组工作中的谐振频率。

更进一步的方案中，设置L1、L2、L3绕组上匝数比为1:2:4，其电感分别为1mH、4mH、16mH，而其寄生电容分别为0.1μF、0.2μF、0.1μF，代入公式(5)，计算得到L1绕组的谐振频率，其中，L1、L2、L3绕组工作中的谐振频率一致。

更进一步的方案中，基于L2绕组的谐振频率，在L1绕组布置一个方向为负的消除电容，以消除L2绕组上寄生电容的影响。

由此可见，本发明将变压器通过优化改良变成一个线性度高的理想分压器件，分析变压器绕组寄生电容对变压器输出误差的影响、以理论分析与电路仿真相结合的方式提出了寄生电容和谐振频率点消除的方法，以及提出负电容生成电路，通过生成的负电容来优化改良变压器精准性。

附图说明

图1是本发明一种变压器线圈寄生电容消除方法实施例的流程图。

图2是本发明一种变压器线圈寄生电容消除方法实施例中等效分析模型电路的电路原理图。

图3是本发明一种变压器线圈寄生电容消除方法实施例中L1绕组谐振频率测试仿真图。

图4是本发明一种变压器线圈寄生电容消除方法实施例中L2绕组谐振频率测试电路原理图。

图5是本发明一种变压器线圈寄生电容消除方法实施例中L2绕组谐振频率测试仿真图。

图6是本发明一种变压器线圈寄生电容消除方法实施例中L3绕组谐振频率测试电路原理图。

图7是本发明一种变压器线圈寄生电容消除方法实施例中L3绕组谐振频率测试仿真图。

图8是本发明一种变压器线圈寄生电容消除方法实施例中在图4中添加消除电容的电路原理图。

图9是图8的L2绕组谐振频率测试仿真图。

图10是本发明一种变压器线圈寄生电容消除方法实施例中负电容生成电路的电路原理图。

图11是现有技术的一种原始谐振频率测试电路原理图。

图12是图11的谐振频率测试仿真图。

图13是本发明一种变压器线圈寄生电容消除方法实施例中集成有负电容生成电路的电路原理图。

图14是图13的谐振频率测试仿真图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明的一种变压器线圈寄生电容消除方法，包括以下步骤：

步骤S1、建立等效分析模型电路。

步骤S2、设立模型组，模型组为至少两个绕组任意组合。

步骤S3、基于模型电路分析模型组中任意一个绕组中的寄生电容对另一个绕组的影响，在磁芯中产生磁通量。

步骤S4、在模型组中任意一个绕组上按照计算公式布置方向为负的消除电容，以消除剩下绕组中任意一个与其对应的绕组上寄生电容的影响。

进一步的，在模型组中任意两个或两个以上绕组上按照计算公式布置方向为负的消除电容，以消除剩下绕组中任意两个或两个以上与其对应的绕组上寄生电容的影响，或者在模型组中所有绕组上按照计算公式布置方向为负的消除电容，以消除模型组中与其一一对应的所有绕组上寄生电容的影响。

在上述步骤S1中，建立等效分析模型电路具体包括：在一个环形铁芯上紧密绕制三个绕组L1、L2、L3，其匝数分别为N1、N2、N3，其产生的寄生电容分别是电容C1、C2、C3。

具体的，为了方便分析变压器绕组之间的寄生电容相互影响关系，本实施例建立了一个环形铁芯上紧密绕制了三个绕组L1、L2、L3，其匝数分别为N1、N2、N3，其产生的寄生电容(分布式电容)分布是C1、C2、C3。假设铁芯相对磁导率，暂时不考虑漏感影响，其等效分析模型如图2所示。

进一步的，在上述步骤S3中，分析L2、L3绕组中的寄生电容对L1绕组的影响，假设给L1绕组一个激励V1，将在磁芯中形成磁通量θ，假设电容C2形成的电流i_C2在磁芯中的磁通量为θ₂，表示为公式(1)：

其中，θ₂为L2绕组感应电流在磁芯产生的磁通量；u为磁芯相对磁导率；S为磁芯横截面积；i_C2为L2绕组感应电流；ω为角频率；C₂为L2绕组寄生电容。

进一步的，对磁通量θ₂进行单独分析，在L1绕组上产生电流

在变压器一次侧满足公式(2)：

其中，

为θ₂在L1绕组上产生的电流；

为因L2绕组寄生电容影响，折算到L1绕组上等效产生的电容。

进一步的，由公式(1)、公式(2)可以得到公式(3)：

从公式(3)可得，在磁芯中增加一个磁通量-θ₂，即在L1绕组中添加一个负电容

可实现完全消除L2绕组上寄生电容C₂对变压器合理准确变压的影响，即相当于消除了L2绕组上寄生电容。

进一步的，在上述步骤S4中，L1绕组上等效的全部寄生电容的计算为公式(4)：

其中，

为L1绕组上自身寄生电容加上L2与L3绕组上寄生电容折算到L1绕组上一起的等效的全部寄生电容。

进一步的，设置所有绕组所使用绕线材质相同，则满足

与

L₁绕组工作中的谐振频率为公式(5)：

其中，

为L1绕组工作中的谐振频率。

进一步的，设置L1、L2、L3绕组上匝数比为1:2:4，其电感分别为1mH、4mH、16mH，而其寄生电容分别为0.1μF、0.2μF、0.1μF，代入公式(5)，计算得到L1绕组的谐振频率，其中，L1、L2、L3绕组工作中的谐振频率一致。

具体的，在上述步骤中，为了研究分析L₂、L₃绕组中的电容对L₁绕组的影响，假设给L₁绕组一个激励V₁，将在磁芯中形成磁通量θ，假设C₂形成的电流i_C2在磁芯中的磁通贡献量为θ₂，于是有公式(1)：

式中：θ₂为L2绕组感应电流在磁芯产生的磁通量；u为磁芯相对磁导率；S为磁芯横截面积；i_C2为L2绕组感应电流；ω为角频率；C₂为L2绕组寄生电容。

而单独分析θ₂，其会在L₁绕组上产生电流

在一次侧满足公式(2)：

式中：

为θ₂在L₁绕组上产生的电流；

为因L2绕组寄生电容影响，折算到L₁绕组上等效产生的电容。

由公式(1)、公式(2)可以得到公式(3)：

从上述分析中可以得知，因为有L2绕组上寄生电容C₂的影响，将在磁芯中产生不期望的磁通θ₂，相当于模型中L1绕组附加一个折算过来的等效寄生电容

产生的影响。理论上如果要消除磁通θ₂的影响，只需要在磁芯中增加一个“-θ₂”的磁通。而在L1绕组中添加一个

负电容即可实现完全消除L2绕组上寄生电容C₂对变压器合理准确变压的影响，即相当于消除了L2绕组上寄生电容，同理可消除L3绕组上寄生电容和L1绕组上本身的寄生电容。

在图2所示的绕组中，L1绕组上等效的全部寄生电容可计算为公式(4)：

式中：

为L1绕组上自身寄生电容加上L2与L3绕组上寄生电容折算到L1绕组上一起的等效的全部寄生电容。

假设所有绕组所使用绕线材质相同，则满足

与

因此L₁绕组工作中的谐振频率为公式(5)：

式中：

为L₁绕组工作中的谐振频率。

假设L1、L2、L3绕组上匝数比为1:2:4，其电感分别为1mH、4mH、16mH，而其寄生电容分别为0.1μF、0.2μF、0.1μF，代入公式(5)，计算得到L1绕组的谐振频率为3.183kHz。将电路通过仿真软件分析，得到的结果如图3所示，与计算结果一致。

假如不改变任何其他参数，将同样的交流电压激励分别接入L₂、L₃绕组，通过仿真软件测试其分别的谐振频率参见图4至7，仿真结果表明L₁、L₂、L₃绕组的谐振频率点都为3.183kHz，其结果一致。

进一步的，基于L2绕组的谐振频率，在L1绕组布置一个方向为负的消除电容，以消除L2绕组上寄生电容的影响。

具体的，以测L2绕组的谐振频率电路为基础，在L₁绕组测加入一个负电容C₄＝-C_θ2继续进行仿真试验，仿真电路与仿真结果分别如图8与图9所示。

综上可得，L2绕组的谐振频率点消失，验证了在任一绕组上按照计算公式布置方向为负的消除电容，就能消除所有绕组上寄生电容的影响。

以上讨论的是通过消除电容(负电容)来优化改良变压器精准性的方法，本实施例还提出实际设计中如何等效实现为变压器绕组添加负电容，如一种负电容生成电路，如图10所示。

在本实施例中，图10中信号端输入电压为V_in，根据电路原理，有如下表达式，如公式(6)：

式中：Z_in为电路对地输入阻抗；R₅/R₄＝1；C₅为电容；

为电容C₅的容抗；F为电路工作频率。

该电路如果整体视作一个元器件，相当于在正负端等效生成为一只“-C₅”的电容，即实现了负电容的等效生成。

为了验证变压器消除电容生成方法的正确性与可行性，如图7所示的电路仿真试验，仿真电路中的各个重要元器件取值已在图中标识。首先在交流标准电压激励下，在“P_in”点测试原始电路的谐振频率如图11、图12所示，可以发现一个明显的谐振频率点；然后将负电容生成电路按照图13所示接入有寄生电容的次级线圈L₃绕组，结果如图14所示，表明谐振频率点消失，验证了负电容生成电路能实现寄生电容影响因素的消除。

可见，变压器的正常工作特性要求输出端阻抗足够大，因此在变压器实际设计中为了安全、功能以及精准度的考虑，通常会在电压输出端口前添加一级驱动，例如GΩ(109)级别超高阻抗的一级运算放大器进行缓冲，以1V的输出电压为例，输出端负载电流影响量完全可以控制在0.001ppm以内，但是引入的运算放大器会带来失调电压Vos对输出信号精准度新的负面影响，目前超低失调电压的运算放大器的最高水准大致在0.3μV～3μV的范围内，以3μV为例，其相对于1V的电压输出已经有3ppm的误差，这是不可忽略的，因此对变压器优化改良设计除了消除寄生电容的影响，消除运放失调电压的影响也是必要的。目前已有很多失调电压的补偿或消除方法，可以将输出误差控制在远小于1ppm的级别，本发明不再赘述。

由此可见，本发明将变压器通过优化改良变成一个线性度高的理想分压器件，分析变压器绕组寄生电容对变压器输出误差的影响、以理论分析与电路仿真相结合的方式提出了寄生电容和谐振频率点消除的方法，以及提出负电容生成电路，通过生成的负电容来优化改良变压器精准性。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种变压器线圈寄生电容消除方法，其特征在于，包括：

建立等效分析模型电路，其中，建立等效分析模型电路具体包括：在一个环形铁芯上紧密绕制三个绕组L1、L2、L3，其匝数分别为N1、N2、N3，其产生的寄生电容分别是电容C1、C2、C3；

设立模型组，所述模型组为至少两个绕组任意组合；

基于模型电路分析模型组中任意一个绕组中的寄生电容对另一个绕组的影响，在磁芯中产生磁通量，其中，分析L₂、L₃绕组中的寄生电容对L₁绕组的影响，假设给L₁绕组一个激励V₁，将在磁芯中形成磁通量θ，假设电容C₂形成的电流i_C2在磁芯中的磁通量为θ₂，表示为公式(1)：

其中，θ₂为L2绕组感应电流在磁芯产生的磁通量；u为磁芯相对磁导率；S为磁芯横截面积；i_C2为L2绕组感应电流；ω为角频率；C₂为L2绕组寄生电容；

对磁通量θ₂进行单独分析，在L₁绕组上产生电流

在变压器一次侧满足公式(2)：

其中，

为θ₂在L₁绕组上产生的电流；

为因L2绕组寄生电容影响，折算到L₁绕组上等效产生的电容；

在所述模型组中任意一个绕组上按照计算公式布置方向为负的消除电容，以消除剩下绕组中任意一个与其对应的绕组上寄生电容的影响；

其中，由公式(1)、公式(2)可以得到公式(3)：

从公式(3)可得，在磁芯中增加一个磁通量-θ₂，即在L₁绕组中添加一个负电容

可实现完全消除L2绕组上寄生电容C₂对变压器合理准确变压的影响，即相当于消除了L2绕组上寄生电容；

L₁绕组上等效的全部寄生电容的计算为公式(4)：

其中，

为L₁绕组上自身寄生电容加上L₂与L₃绕组上寄生电容折算到L₁绕组上一起的等效的全部寄生电容；

设置所有绕组所使用绕线材质相同，则满足

与

L₁绕组工作中的谐振频率为公式(5)：

其中，

为L1绕组工作中的谐振频率；

设置L1、L2、L3绕组上匝数比为1:2:4，其电感分别为1mH、4mH、16mH，而其寄生电容分别为0.1μF、0.2μF、0.1μF，代入公式(5)，计算得到L1绕组的谐振频率，其中，L1、L2、L3绕组工作中的谐振频率一致；

基于L2绕组的谐振频率，在L1绕组布置一个方向为负的消除电容，以消除L2绕组上寄生电容的影响；

还提供一种负电容生成电路，该电路可以等效实现为变压器绕组添加负电容，其信号端输入电压为V_in，根据电路原理，有如下表达式，如公式(6)：

式中：Z_in为电路对地输入阻抗；R₅/R₄＝1；C₅为电容；

为电容C₅的容抗；F为电路工作频率；

该电路如果整体视作一个元器件，相当于在正负端等效生成为一只“-C₅”的电容，即实现了负电容的等效生成。

2.根据权利要求1所述的变压器线圈寄生电容消除方法，其特征在于：

在所述模型组中任意两个或两个以上绕组上按照计算公式布置方向为负的消除电容，以消除剩下绕组中任意两个或两个以上与其对应的绕组上寄生电容的影响，或者

在所述模型组中所有绕组上按照计算公式布置方向为负的消除电容，以消除所述模型组中与其一一对应的所有绕组上寄生电容的影响。

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