第３期 ２０１３年５月 电 源 学 报 Ｎｏ．３ Ｍａｖ．２０１３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ 变压器寄生电容对ＬＬＣ空载稳定运行影响的研究 岳衡．陈敏 （浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市３１００２７） 摘要：由于寄生参数的影响，ＬＬＣ空载运行存在不稳定问题。针对变压器寄生电容对ＬＬＣ空栽稳定运行的影 响，对副边采用铜带绕制变压器的寄生电容进行了建模，通过比较建立的模型和实验测量变压器的阻抗特性，验证 建模的正确性。最后采用了一种有利于空载运行的变压器结构，并在一台５００Ｗ样机上进行了验证。 关键词：ＬＬＣ；空载；寄生电容 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５—２８０５（２０１３）０３—００８２—０５ 引言 随着社会环保意识的增强与移动电子设备的 １变压器寄生电容对ＩＪ，Ｃ空载运行的 影响 半桥ＬＬＣ电路结构如图１所示，其主要由逆变 开关、谐振网络、整流网络组成。逆变部分采用半桥 普及，人们对电源的效率和体积有了更高的要求。 ＬＬＣ变换器．如图１所示，因其高效率高功率密度 的特点脱颖而出，备受关注。然而由于寄生参数的 影响，其空载运行存在不稳定问题【 ２１。 结构，其中半桥开关以５０％的占空比互补输出。谐 振网络由谐振电容ｃｒ、谐振电感 ，和变压器激磁电 感 组成。整流网络采用中心抽头变压器加全波整 文献『２１指出ＬＬＣ变换器副边整流管寄生电容 会影响轻空载输出电压。文献【３】分析了ＬＬＣ变换器 中元件寄生参数的影响。本文主要研究铜箔变压器 的结构对ＬＬＣ空载运行的影响。针对采用铜箔绕制 的变压器的寄生电容进行建模。分析绕组结构对寄 生电容的影响．并推荐一种有利于空载运行的绕组 结构。实验测量变压器的阻抗特性来验证寄生电容 模型有效性．最后以一台５００ Ｗ样机为平台，验证 有利于空载运行的绕组结构的有效性。 流电路。直流电压经过逆开关网络，变成方波，经过 谐振网络作用，方波的基波分量作为主要能量被传 递到整流网络。使用基波分析法［４１，可以得到ＬＬＣ变 换器的直流转移比公式： ： ２ｎ 式中： 为激磁电感； 为谐振电感；Ｃｒ为谐振 斗 １蛆妇ｒ Ｉ＿ — Ｉ＿１：Ｊ●。－ Ｄ。．、 １ｃｏＴｌ凡 ［图１ ＬＬＣ电路原理图 收稿日期：２０１２—０ｌ一１９ 电容；ｋ＝Ｌ ／Ｌ，为电感比值；ｐ： 为品质 一 ８，ｌ 吃 因数； ＝２ｎｆ￣４ＬｒＣｒ为归一化谐振频率；ｒｔ为变压 然而．传统的基波分析法没有考虑寄生参数对 器匝比；Ｒ 为负载电阻。 电路的影Ｄｆ￣Ｌ４１。实际电路中，副边整流管结电容Ｃ 和变压器的匝间分布电容 （图２（ａ）所示），会改变 电路的轻空载增益特性。文献【２】给出了包含以上寄 生电容的基波等效电路，如图２（ｂ）所示。其中原边 第３期 岳衡．等：变压器寄生电容对ＬＬＣ空载稳定运行影响的研究 ８３ 等效并联电容 ，为副边寄生电容的折算，表达式 移比，如式（３）所示。 如公式（２）所示。此时谐振网络由３阶转化成４阶， 对其采用基波分析法分析，可得改进的直流电压转 ２（Ｃｗ＋ ） Ｌｐ ———— —一 ｎ （２） Ｍ＝ （３） １ ｌ 式中： ｃｍ ； 。 路从负反馈变成正反馈，造成反馈失控，从而影响 电路的稳定性。从图３（ａ）可以看出，负载 越大， 即负载越轻，转折程度越强；从图３（ｂ）可以看出，寄 生电容Ｇ越大，转折程度越强。 因此，为避免系统控制正反馈而导致不稳定， 观察改进后的直流电压转移比曲线（如图３所 示），电路增益在高频段发生转折。电路增益转折 前，通过增加频率可以降低电路增益；增益曲线转 折后．增加频率后电路增益反而升高，电路反馈环 要求尽量减小寄生电容，并且使电路中最大的工作 Ｇ ， ： Ｊ 。１ ・Ｃ － ● ＿ 十 （ ｃＴ （ａ）寄生电容位置示意图 （ｂ）改进后的几波等效模型 图２考虑寄生电容的基波等效模型 ＼ …Ｒ・—Ｒ－…ＲＬ￡ ＝１４３７２１５ ．９８ ＯｎＱ Ｉ １ 一 ㈣— ＿＿＿ ・・・Ｃｓ ２００ｐ ， 一 ””Ｐ ｎ，ｌ ｎ。 ■■…＿＿＿…＿＿＿＿＿＿－＿＿～Ｃｓ ａ０ｐ ＼ ＼＼ ＩＩ ５ ， ．一 Ｉ ＼ Ｉ Ｉ － 。 ／ ．ｄ ｆ ，， ／ ； 、－．一 Ｉ （ａ）增益随负载变化曲线 （ｂ）增益随寄生电容变化曲线 图３改进后的直流电压转移比曲线 频率小于增益转折频率。文献［２］对副边整流管寄生 电容进行了分析，并给出了减小其影响的方法。本 文关注铜箔变压器的寄生电容，通过优化绕组结构 减小其寄生电容。 然而铜箔面积大，层间距离窄，相对于铜线绕制的 变压器有较大的匝间寄生电容。以一台应用在５００ Ｗ，２４ Ｖ输出的ＬＬＣ的变压器为例：磁芯采用 ＥＴＤ４４—３ｃ９５的铁氧体磁芯。变压器变比为２５：３，原 边使用多股丝包线，副边为中心抽头结构，使用铜 ２铜箔变压器寄生电容建模 铜箔绕制的变压器在大电流场合下广泛应用。 箔双带并绕，层间通过胶带绝缘，结构如图４所示。 测量其原边匝间电容、原副边电容、副边匝问电容， 分别为：４６ ｐＦ，８ ｐＦ，４３２ ｐＦ。可见副边匝间电容较 第３期 岳衡，等：变压器寄生电容对ＬＬＣ空载稳定运行影响的研究 Ｅ＝巨４＋ ２＋ ５＋岛３＋ ６＝ １ Ｃ ＋ ＋ １ Ｃ２ 吃＋ １ Ｃ 噶＋ １ Ｃ， 吃 ，ｃ０ ＋ １ ｃ ￣ｎ －ｌ ｖ。／ｌ￣２＋ ｃ ＋ １ ｃ（ｎ￣ｌ ）＋ Ｃ０ ＋ １ Ｃ ￣ｎ －１ Ｖ。）＝ （６） 圭ｃｏ ＋ ］ 其中：Ｅ ，如， ， ，， 分别代表对应下标的 层间储能；Ｃ ， ，Ｃ ，Ｃ ，，Ｃ 分别代表对应下标的 层间寄生电容；Ｖ。 ，Ｖ舵，Ｖ２５，Ｖ５３，Ｖ３６分别代表对应下 标的层间电势；Ｖ。为输出电压；凡为变压器副边匝数。 抽头上半绕组端电压为 。，由式（４）、（６），可推 导出此绕组两端寄生电容为： ＝ ＋ 】 ２．２一种有利于空载的绕组结构 以上分析表明，绕组结构对电势分布和寄生电 容有很大影响。上面所述的双带并绕结构。会在副 边匝间引入较大的寄生电容。若将副边绕组分离放 置，可消除该电势差，从而减小层间储能。更改后的 绕组结构如图６所示，其中下层为副边绕组，上层 为原边绕组。相对于原结构（图４（ｂ）），副边绕组宽 （ｂ）绕组剖面图 图６分离式绕法变压器示意图 度减半，单独卷绕并行排列于中柱上。使用同样的 分析方法，可以得到等效的寄生电容如式（８）所示。 ｅｏｅ，１ｗ Ｃｗ ：Ｔ（ｎ－１）＿３实验验证 ３．１寄生电容模型的验证 为验证变压器模型的正确性。制作了一台双带 并绕的变压器，变压器参数如表１： （８） 表１变压器参数 使用ＬＣＲ表测量电感值为４．６ Ｈ。测量变压 模型的有效性。 器阻抗特性，其谐振频率在２．５ ＭＨｚ。计算可知其寄 生匝间电容为０．４３ ｎＦ。将表１数据代入式（７）中，得 到理论电容值为０．４６ ｎＦ。两者误差为８．９％．验证了 ３．２两种绕组结构对寄生电容的影响 分别绕制双带并绕结构与分离绕结构的２个 变压器，并测量其匝间电容，实验结果如表２所示， 表２实验结果 分离绕结构 ＥＴＤ４４—３Ｃ９５ ３ ７２ ．３９．４ 电 源 学 报 第４７期 匝间电容量符合理论分析。 — ●一 双带并绕 ３．３两种绕组结构对对电路增益的影响 使用一台５００ Ｗ的ＬＬＣ电源（电路参数如表３ —・一 一 分离绕 儡 增盟簧水 所示）对两种结构的变压器进行试验。测量电路在 １ — 空载时的电压增益曲线，结果如图７所示：可见双 ●■ ’’● ‘一 ．．—●●■一 带并绕型变压器由于其寄生电容较大，在归一化频 率为１．４８时转折，并无法达到最小增益要求；绕组 分离绕制型在归一化频率为１．６３处，与便达到最小 增益要求。需要注意的是在电路设计中，将最大工 作频率设在小于增益转折点处。 表３ ＬＬＣ电路参数 输入电压，、，ｄｃ 输出电压厂ｖ ３６０—４１０ ２４ ２５ ８４ ｛ｈ 图７不同变压器下电路空载增益 实验验证了有效性。 参考文献： 【１］Ｊｉｎｔａｅ Ｋｉｍ．ＬＬＣ谐振转换器在轻载条件下增益失真的考 谐振电感／ Ｆ 谐振电容／ｎＦ 虑事项ＩＪ１．今日电子，２０１１，（０４）：４２—４８． 激磁电感／ Ｈ 变压器匝比 ３８０ ２５：３ １Ｏ０ ． ［２］Ｙｉｑｉｎｇ Ｙｅ，Ｃｈａｏ Ｙａｎ，Ｊｉａｎｈｏｎｇ Ｚｅｎｇ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｌｉｇｈｔ ｌｏａｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ＬＬＣ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｃ］．ｉｎ Ｐｍｃ．ＩＮＴ— ＥＬＥＣ ２００７，Ｒｏｍｅ，Ｉｔａｌｙ，２００７． 开关频率／ｋＨｚ ［３】Ｂｙｏｕｎｇ—Ｈｅｅ Ｌｅｅ，Ｍｏｏｎ—Ｙｏｕｎｇ Ｋｉｍ，Ｃｈｏｎｇ—Ｅｕｎ Ｋｉｍ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＬＬＣ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ［Ｃ］．ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＮＴＥＬＥＣ ２００９，Ｉｎｃｈｅｏｎ， ４结论 ＬＬＣ电路副边寄生电容对空载运行产生不利 影响。本文从减小铜箔变压器寄生匝间电容的角 度，对变压器副边寄生电容进行了建模，并给出了 一Ｓｏｕｔｈ Ｋｏｒｅａ，２００９． 『４］Ｒｏｂｅｒｔ Ｌ Ｓｔｉｇｅｒｗａｌｄ．Ａ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｈａｌｆ—Ｂｒｉｄｇｅ Ｒｅｓｏ・ ｎａｎｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ【Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９８８，３（２）：１７４—１８２． 【５］Ｄａｌｅｓｓａｎｄｒｏ Ｌ，Ｄａ Ｓｉｌｖｅｉｒａ Ｃａｖａｌｃａｎｔｅ Ｆ，Ｋｏｌａｒ Ｊ Ｗ．Ｓｅｌｆ— Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ－Ｖｏｈａｇｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｆＪ１．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ— ａｃ￣ｏｎｓ ｏｎ ＥｌｅｃｔｒｏｎｉＣＳ，２００７，２２（５１：２０８１—２０９２． 种有利于空载运行的变压器绕组结构，最后通过 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｐａｒａｓｉｔｉｃ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｏｎ ＬＬＣ Ｌｉｇｈｔ Ｌｏａｄ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ＹＵＥ Ｈｅｎｇ，ＣＨＥＮ Ｍｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｆ ｏＥｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３ １００２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＬＬＣ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｕｎｄｅｒ ｌｉｇｈｔ ｌｏａｄ ｃｏｎ￣ｆｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐａｒａｓｉｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｔｓ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｏｎ ＬＬＣ ｈｇｈｔ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ＷａＳ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｉｄｅ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｃｏｐｐｅｒ ｂｅｌｔ ａＳ ｉｔｓ ｗｉｎｄｉｎｇ ＷａＳ ｇｉｖｅｎ．Ａｎｄ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｅａＳｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ．Ａｔ ｌＳｔ，ａ ｔａｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ＷａＳ ｍｏｒｅ ｐｒｏｐｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｉｏｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ｔｔｈｉｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｏｎ ａ ５００Ｗ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ・ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＬＣ；ｌｉｇｈｔ ｌｏａｄ；ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ
