开关变压器第十四讲 分布电容分析
开关电源变压器的分布电容(二)
开关电源变压器的分布电容(二)
为了更好地对多层线圈的分布电容进一步进行分析，我们把（2-114）式改写成一个静态电容与一个动态系数相乘的形式，即：
当变压器的线圈为多层时，我们只需反复利用（2-117）式来对相邻两层之间的分布电容独立进行计算，然后把结果相加即可。
如果一定要写出计算多层线圈分布电容的表达式，则变压器多层线圈的分布电容可表示为：
式中，为第i层与i+1层线圈之间的静态电容，i= 1、2、3、• • •、n ，n为所求总分布电容的变压器初级线圈或次级线圈的层数；gi为第i 层与i+1层线圈之间的平均周长；kui为第i 层与i+1层线圈之间分布电容的动态系数；
Ui为第i层与i+1层线圈之间的标准电位差，其值一般等于相邻两层线圈工作电压之和，即：Ui=2U/n ，U为变压器初级线圈或次级线圈两端的工作电压；Uai、Ubi分别为第i层与i+1层线圈之间x=0和x=h处对应的电位差；对于如图2-42-a线圈接法，Uai= 0，Ubi=Ui ；对于如图2-42-b线圈接法，Uai=Ubi =Uio/2。
一般开关电源变压器初级线圈的层数很少超过4层的，因此，我们在这里分别列出三层、四层初级线圈分布电容的计算结果。
为了计算简单，我们假设三层线圈的匝数以及工作电压均相等，三层线圈的平均周长gi用中间一层线圈的周长来代替，即用第二层线圈的周长g2代之；三层线圈的层间距离均相等，均等于d。
同理，对于四层线圈的条件也基本相同，但线圈平均周长。
共模电感的分布电容
共模电感的分布电容共模电感是一种常用的电子元件，用于电路中的滤波和抑制共模干扰。
在理解共模电感之前，我们首先需要了解分布电容的概念。
分布电容是指电感器或者传输线上的两个导体之间的电容。
当两个导体之间存在电压差时，会在它们之间形成电场，从而产生电容。
分布电容是由于导体之间的几何形状和相对位置而产生的。
在共模电感中，分布电容起到了重要的作用。
共模电感是指两个线圈紧密地绕在同一个磁芯上，且两个线圈的方向相同。
这样的设计可以使得共模电感对于同相信号有较高的电感值，而对于反相信号有较低的电感值。
在共模电感中，分布电容可以通过一些方法进行抑制。
首先，可以通过增加线圈之间的绕组间隔来减小分布电容。
这样可以减小线圈之间的电场强度，从而降低分布电容的大小。
其次，可以通过选择合适的线圈材料来减小分布电容。
一些材料具有较低的介电常数，可以减小线圈之间的电场强度，从而降低分布电容的大小。
另外，还可以通过改变线圈的几何形状来减小分布电容。
例如，可以采用螺旋线圈或者扁平线圈来减小分布电容。
这样可以使得线圈之间的绕组更加紧密，从而减小分布电容的大小。
共模电感中的分布电容对于共模干扰的抑制起到了重要的作用。
共模干扰是指在信号传输过程中，由于信号线和地线之间存在不完全匹配或者其他因素导致的干扰。
这种干扰会使得信号质量下降，甚至影响整个系统的正常工作。
共模电感通过增加对于同相信号的阻抗，从而减小共模干扰的影响。
当信号通过共模电感时，同相信号会被共模电感产生的高阻抗所阻断，从而减小了共模干扰的影响。
总结起来，共模电感中的分布电容是一个重要的因素。
通过合适的设计和选择材料，可以有效地减小分布电容的大小，从而提高共模电感对于同相信号的阻断能力。
这样可以有效地抑制共模干扰，提高系统的性能和可靠性。
变压器的漏感与分布电容影响分析
变压器的漏感与分布电容影响分析漏感与分布电容对输出波形的影响开关电源变压器一般可以等效成图2-43所示电路。
在图2-43中，Ls为漏感，也可称为分布电感，Cs为分布电容，为励磁电感，R为等效负载电阻。
其中分布电容Cs还应该包括次级线圈等效到初级线圈一侧的分布电容，即次级线圈的分布电容也可以等效到初级线圈回路中。
图2－43 开关电源变压器等效电路设次级线圈的分布电容为C2，等效到初级线圈后的分布电容为C1，则有下面关系式：上式中，Wc2为次级线圈分布电容C2存储的能量，Wc1为C2等效到初级线圈后的分布电容C1存储的能量；U1、U2分别为初、次级线圈的电压，U2 = nU1，n = N2/N1为变压比，N1 、N2分别为初、次级线圈的匝数。
由此可以求得C1为：C1 = n2C2 （2-121）（2-120）式不但可以用于对初、次级线圈分布电容等效电路的换算，同样可以用于对初、次级线圈电路中其它电容等效电路的换算。
所以，C2亦可以是次级线圈电路中的任意电容，C1为C2等效到初级线圈电路中的电容。
由此可以求得图2-43中，变压器的总分布电容Cs为：Cs = Cs1 + C1 = Cs1 +n2C2 （2-122）(2-122)式中，Cs为变压器的总分布电容，Cs1为变压器初级线圈的分布电容；C1为次级线圈电路中总电容C2（包括分布电容与电路中的电容）等效到初级线圈电路中的电容；n = N2/N1为变压比。
图2-43开关变压器的等效电路与一般变压器的等效电路，虽然看起来基本没有区别，但开关变压器的等效电路一般是不能用稳态电路进行分析的；即：图2-43中的等效负载电阻不是一个固定参数，它会随着开关电源的工作状态不断改变。
例如，在反激式开关电源中，当开关管导通时，开关变压器是没有功率输出的，即负载电阻R等于无限大；而对于正激式开关电源，当开关管导通时，开关变压器是有功率输出的，即负载电阻R既不等于无限大，也不等于0 。
小只推荐：变压器的绕制工艺之变压器分布电容
小只推荐：变压器的绕制工艺之变压器分布电容
宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来；此句是中国流传下来的一句古训，喻为如果想要取得成绩，获取成就，就要能吃苦，勤于锻炼，这样才能靠自己的努力赢得胜利。
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本文来自心中有冰的精华帖。
--------小编语。
变压器绕组绕在磁芯骨架上，特别是饶组的层数较多时，不可避免的会产生分布电容，由于变压器工作在高频状态下，那幺这些分布电容对变压器的工作状态将产生非常大的影响，如引起波形产生振荡，EMC变差，变压器发热等。
所以，我们很有必要对变压器的分布电容研究一下，下面我们就对这个分布电容来展开讨论。
分布电容既然有危害，那幺我们就要设法减小这个分布电容的影响，首先我们来分析下分布电容的组成。
变压器的分布电容主要分为4个部分：绕组匝间电容、层间电容、绕组电容、杂散电容，下面我们来分别介绍。
首先：绕组匝间电容
我们知道电容的基本构成就是两块极板，当两块极板加上适当的电压时，极板之间就会产生电场，并储存电荷。
那幺，我们是否可以把变压器相邻两个绕组看成连个极板呢？答案是可以的，这个电容就是绕组匝间电容。
以变压器初级绕组为例，当直流母线电压加在绕组两端时，各绕组将平均。
变压器中的分布参数
100
7.6 f
6.6 25 f
铜导线的穿透深度与频率和温度的关系
(1)如果两根导线代替一根，细导线的直径为
d2=0.70d1
d2 d1 / 2
d2 d1
单导线的穿透截面积 两根并联导线的穿透截面积
（2）线圈的并联 当线圈需要流过大电流时，如果采用线圈 并联，能否真的解决大电流问题呢？
不并联电流流过每个导线 并联后电流集中在靠近一侧 磁芯
外层没有高频 电流，只有内 层有电流。 等于没有并联
副边线圈
原边线圈
（a）加大线圈窗口宽度b
增加磁芯窗口宽度b w
磁芯
副边线圈
原边线圈
图1
1 2 Wm 0 H w / b 2
2011年11月12日电源网技术交流会
专题报告：变压器中的分布参数及线圈
南京航空航天大学 周洁敏 Jieminzh@
变压器的分布参数
一、变压器线圈的漏感 二、高频变压器线圈的电磁现象
三、分布电容
一、变压器线圈的漏感 1、漏磁产生的理论基础 2、变压器磁芯的漏磁分析 3、变压器减少漏磁的主要方法
第2层 P2 i Re 2 i R (2i) R 5Ri , Re 2 5R
2 2 2 2
2 2 2 2 P i R (3 i ) R (2 i ) R 13 Ri , Re3 13R 第3 层 3 e3
第m层 Pm [(m 1) m ]P 1
2 2
高频电流iA 高频电流iB
两根导线厚度a 大于穿透深度Δ ，流过相反的 且相等的高频电流iA和iB时，导体中电流挤在 两导体靠近的一边，这就是邻近效应。
分布电容的产生和影响
分布电容的产生和影响摘要：在电感线圈和地间、匝和匝之间都会有分布电容的存在，它的产生和存在会给线圈品质因数、总损耗电阻等带来明显的变化。
而在变压器中，分布电容则存在于初次、次级之间，它会通过变压器来耦合，这就直接对变压器的高频隔离性能，造成了影响。
基于上述种种情况的产生，本文将针对分布电容的产生和影响，进行详细的阐述与探究。
关键词：分布电容；产生；影响前言：分布电容的产生除了会对电感线圈、变压器等造成影响之外，对于电容式油量传感器输出变压器的影响，也是十分显著的。
电容式油量传感器的输出变压器层间分布电容，会直接影响音频信号其抗电磁干扰能力的高频，并使信号其衰减，进而就会使整个频带内的音频信号，出现不均匀传输的情况。
由此也就能够看出分布电容产生，所造成的影响。
1分布电容的产生分布电容的产生、存在位置，是在两个存在电压差，但是这二者之间又相互绝缘的导体之间。
而分布电容本身所指的是由非电容形态形成的一种分布参数。
由此也就能够得出，“分布电容”是在任意电路中存在的，需要进行区分的，仅仅是分布电容大小的问题[1]。
一旦处于高频率的情况中，分布电容所产生的影响，就需要相关工作人员，进行重点的关注，尤其是在精密仪器的运转、高频电路的运行中，需要特备特别注重相应控制措施的采取与利用，这样才能够有效降低因分布电容而造成的影响。
其中，需要重点关注的是，分布电容的大小由电缆的绝缘材料、长度尺寸等决定。
例如，在两根传输线间，每根都被空气介质隔绝了与地的连接，因此，也就有电容的产生和存在。
2分布电容的产生的影响分析2.1交流电机中分布电容的影响电机本身具备价格低廉、结构简单、环境适应能力强等优势，在工业生产的应用中，十分广泛。
而在变频技术得到充分利用之后，逆变器的电力电子器件，在高速开通与关断的过程中，所产生谐波电压频率，在PWM变频器的倍数频率、载波频率附近，是比工频频率（50Hz）要大出许多的。
而这部分谐波电压的产生，就会和电机分布电容之间，有回路的构成。
旁路电容、分布电容、寄生电容
旁路电容可将混有高频电流和低频电流的交流电中的高频成分旁路掉的电容，称做“旁路电容”。
例如当混有高频和低频的信号经过放大器被放大时，要求通过某一级时只允许低频信号输入到下一级，而不需要高频信号进入，则在该级的输出端加一个适当大小的接地电容，使较高频率的信号很容易通过此电容被旁路掉（这是因为电容对高频阻抗小），而低频信号由于电容对它的阻抗较大而被输送到下一级放大。
众所周知，带电电缆、变压器对地都有一定的分布电容，而分布电容大小取决于电缆的几何尺寸、电缆的长度和绝缘材料等，它由两个存在压差而又相互绝缘的导体所构成。
所以我们探讨分布电容的电流补偿对开关的设计是有着重要意义的。
必须注意到的是，不只是电容器中才具有电容，实际上两导体之间都存在电容。
例如，两根传输线之间，每跟传输线与大地之间，都是被空气介质隔开的，所以，也都存在着电容。
一般情况下，这个电容值很小，它的作用可忽略不计，如果传输线很长或所传输的信号频率高时，就必须考虑这电容的作用，另外在电子仪器中，导线和仪器的金属外壳之间也存在电容。
上述这些电容通常叫做分布电容，虽然它的数值很小，但有时却会给传输线路或仪器设备的正常工作带来干扰。
寄生的含义就是本来没有在那个地方设计电容，但由于布线构之间总是有互容，互感就好像是寄生在布线之间的一样，所以叫寄生电容。
寄生电容一般是指电感，电阻，芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。
实际上，一个电阻等效于一个电容，一个电感，和一个电阻的串连，在低频情况下表现不是很明显，而在高频情况下，等效值会增大，不能忽略。
在计算中我们要考虑进去。
ESL就是等效电感，ESR就是等效电阻。
不管是电阻，电容，电感，还是二极管，三极管，MOS管，还有IC，在高频的情况下我们都要考虑到它们的等效电容值，电感值。
寄生的含义就是本来没有在那个地方设计电容,但由于布线构之间总是有互容,互感就好像是寄生在布线之间的一样,所以叫寄生电容.ESL是英文缩写:equivalent serial inductance(L),即等效串连电感.一般来说在低频段,器件的管脚引线以及PCB布线都可以等效为无阻抗的,但是高频段,这些东西开始呈现出电感的特性,频率越高,阻抗也开始增大,所以抽象为等效串连电感.。
分布电容
0 引言近年来，开关电源以其效率高、体积小、输出稳定性好的优点而迅速发展起来。
但是，由于开关电源工作过程中的高频率、高d i/d t和高d v/d t使得电磁干扰问题非常突出。
国内已经以新的3C认证取代了CCIB和CCEE认证，使得对开关电源在电磁兼容方面的要求更加详细和严格。
如今，如何降低甚至消除开关电源的EMI问题已经成为全球开关电源设计师以及电磁兼容（EMC）设计师非常关注的问题。
本文讨论了开关电源电磁干扰形成的原因以及常用的EMI抑制方法。
1 开关电源的干扰源分析开关电源产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高d i/d t和高d v/d t，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。
工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。
开关电源中的电压电流波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、MOSFET漏源波形等。
对于矩形波，周期的倒数决定了波形的基波频率；两倍脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数决定了这些边缘引起的频率分量的频率值，典型的值在MHz范围，而它的谐波频率就更高了。
这些高频信号都对开关电源基本信号，尤其是控制电路的信号造成干扰。
开关电源的电磁噪声从噪声源来说可以分为两大类。
一类是外部噪声，例如，通过电网传输过来的共模和差模噪声、外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰等。
另一类是开关电源自身产生的电磁噪声，如开关管和整流管的电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰。
如图1所示，电网中含有的共模和差模噪声对开关电源产生干扰，开关电源在受到电磁干扰的同时也对电网其他设备以及负载产生电磁干扰（如图中的返回噪声、输出噪声和辐射干扰）。
进行开关电源EMI/EMC设计时一方面要防止开关电源对电网和附近的电子设备产生干扰，另一方面要加强开关电源本身对电磁骚扰环境的适应能力。
下面具体分析开关电源噪声产生的原因和途径。
图1 开关电源噪声类型图1.1 电源线引入的电磁噪声电源线噪声是电网中各种用电设备产生的电磁骚扰沿着电源线传播所造成的。
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开关变压器第十四讲分布电容分析
作者：康佳集团彩电技术开发中心总体技术设计所所长/高级工程师陶显芳
开关电源电压输入回路的滤波电感，其分布电容的大小对EMC指标的影响非常大，因此也需要对滤波电感线圈的分布电容构成以及原理有充分的理解。
从原理上来说，滤波电感线圈的分布电容与开关变压器线圈的分布电容基本上是没有根本区别的；因此，对分布电容的分析与计算方法，对滤波电感线圈同样有效。
开关变压器初、次级线圈的分布电容，对开关电源性能指标的影响也很重要，它会与变压器线圈的漏感组成振荡回路产生振荡。
当输入脉冲电压的上升或下降率大于振荡波形的上升或下降率的时候，振荡回路就吸收能量，使输入脉冲波形的前、后沿都变差；而当输入脉冲电压的上升或下降率小于振荡波形的上升或下降率的时候，振荡回路就会释放能量，使电路产生振荡。
如果振荡回路的品质因数比较高，电路就会产生寄生振荡，并产生EMI干扰。
另外，开关电源电压输入回路的滤波电感，其分布电容的大小对EMC指标的影响非常大，因此在这里也需要对滤波电感线圈的分布电容构成以及原理有充分的理解。
从原理上来说，滤波电感线圈的分布电容与开关变压器线圈的分布电容基本上是没有根本区别的，因此，对变压器线圈分布电容的分析与计算方法，对滤波电感线圈同样有效。
开关变压器初、次级线圈的分布电容与结构有关，因此，要精确计算不同结构的开关变压器初、次级线圈的分布电容难度比较大。
下面我们先以最简单的双层线圈结构的开关变压器为例，计算它们的初级或次级线圈的分布电容。
图2-41是分析计算开关变压器线圈之间分布电容的原理图。
设圆柱形两层线圈之间的距离为d，高度为h，平均周长为g 。
假定两层线圈之间沿高度的电位差为线性变化，即：
设两个线圈相对应的两表层间的电场近似均匀分布，即近似平板电容器的电场，那么，根据（2-112）式就可以求得该电场贮存
的能量为：
由此可以求得变压器初级或次级两层线圈之间分布电容的表达式：
对于图2-42-b，可求得变压器初级或次级两层线圈之间的分布电容为：
由此可知，变压器初级或次级两层线圈之间的分布电容，除了与变压器线圈的高度、周长、两层线圈之间的距离等参数相关外，还与两层线圈之间的电位差有关。
为了更好地对多层线圈的分布电容进一步进行分析，我们把（2-114）式改写成一个静态电容与一个动态系数相乘的形式，即：
当变压器的线圈为多层时，我们只需反复利用（2-117）式来对相邻两层之间的分布电容独立进行计算，然后把结果相加即可。
如果一定要写出计算多层线圈分布电容的表达式，则变压器多层线圈的分布电容可表示为：
由此可以知道，变压器线圈的总分布电容的大小主要与线圈的层数（n-1）成正比，与层间的距离d成反比，并且与变压器线圈的连接方法还有关。
因此，我们不能把各层之间的分布电容当成普通电容的概念来理解。
普通电容互相串联时，总电容的容量，总是小于其中任意一个电容的容量；而变压器线圈的层间分布电容看起来是属于串联，但其结果是越串连越大。
这是为什么呢？这是因为变压器线圈层间分布电容的电压主要不是靠串联回路来充电的，而是靠线圈之间互相感应产生的。
不但如此，变压器次级线圈的分布电容同样也要感应到初级线圈来。
大多数场合，在考虑变压器线圈总的分布电容的时候，一般都需要把初、次级线圈的分布电容一起来考虑。
例如，电视机的高压包，其次级线圈绕组的分布电容一般都很大，折算到初级线圈后，初级线圈总的分布电容就更大，一般可达好几千微微法，如不采取分段绕线措施，最大可达好几万微微法。
直接对变压器线圈的总分布电容进行测试是有些困难的，但可以测试每层线圈之间的静态电容，方法是要把图2-42中线圈层与层之间的连线断开；然后把测量结果乘以一个动态系数，即得到本层的分布电容，最后把各层的分布电容全部相加即可得到总分布电容。
如果不考虑变压器次级线圈对初级线圈的影响，对于一个功率大约为100瓦的开关变压器，其初级线圈的分布电容大约在100~2000微微法之间；如果把次级线圈的分别电容也考虑进去，总的分布电容可能要大一倍左右。
因此，分布电容对输出波形的影响也是很大的。
为了减少变压器线圈的分布电容，特别是EMC滤波器线圈的分布电容，最好不要把线圈分成多层叠绕，而是把线圈分段来绕，这样可以降低（2-119）式或（2-120）式中每层线圈的高度h，从而可以减小线圈总的分布电容。