基于匝数变化的平面脉冲变压器设计

吴临玉，王卫国

（兰州空间技术物理研究所甘肃兰州730000）



基于匝数变化的平面脉冲变压器设计

吴临玉，王卫国

（兰州空间技术物理研究所甘肃兰州730000）

摘要：针对脉冲变压器存在的漏感和分布电容等寄生参数产生波形畸变的问题，本文给出了一种基于匝数变化的平面脉冲变压器设计方法。该方法首先分析脉冲变压器各工作阶段的等效电路，然后选取TDK公司性能较好的PC95平面磁芯，绕制平面脉冲变压器来取代用环形磁芯绕制的传统脉冲变压器。为了测试电路中寄生参数对电压脉冲波形畸变的影响，利用不同的绕组形式，分析匝数等比情况下初次级不同匝数同步变化下的波形，最后对测试得到的匝数和电压值用最小二乘法拟合，用拟合曲线观察变化趋势，进而选择合适的匝数。实验结果表明通过使用平面磁芯的脉冲变压器，能够在合适的匝数下有效减小波形畸变。

关键词：脉冲变压器；平面磁芯；波形畸变；最小二乘

脉冲变压器目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗［1］，能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量。所以对脉冲变压器的要求是在传送电压脉冲时，应尽量减少脉冲波形的畸变。但在实际中，由于变压器寄生参数的影响，使本来的矩形脉冲经传输后产生畸变，脉冲前沿变斜，产生顶降，并且产生震荡。

传统的绕线式变压器通常由磁芯和带骨架的铜线圈构成，匝数较多、体积大而且容易产生电磁干扰。平面变压器的结构与传统变压器不一样，它没有漆包线绕组，而是将扁平的连续铜质螺旋线腐蚀刻在敷铜薄膜材料（大多是PCB基材）上［2］，然后叠放在磁芯上，这可省去绕组骨架，有利于散热、减小漏、削弱趋肤效应。平面变压器的结构决定了它具有低的漏感和分布电容［3］，即更小的寄生参数。

针对绕线式变压器体积大、匝数多、易产生电磁干扰，脉冲变压器存在漏感、分布电容等寄生参数产生波形畸变的问题，所以文中采用平面变压器取代用环形磁芯绕制的绕线式变压器，给出了一种基于匝数变化的平面脉冲变压器设计方法。通过采用TDK公司的PC95磁芯绕制的平面变压器取代环形磁芯绕制的变压器，测试在匝数等比情况下选取不同匝数对脉冲波形畸变的影响，最后利用最小二乘法验证测试结果。通过实验和最小二乘法相结合的方法选择合适的匝数，有效减小了波形畸变。

1　平面磁芯的选取

采用平面脉冲变压器代替传统的绕线式变压器时，平面磁芯的选取尤为重要。所选取的磁芯一般应满足下列要求：

1）具有高的脉冲磁导率μp，能用较小的铁芯尺寸获得较大的励磁电感［4］；

2）具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度Br；

3）在高频下具有较低的损耗；

4）较高的居里温度。

另外，由于在进行平面脉冲变压器的结构设计时，采用嵌入式PCB绕组，允许的匝数较少，这要求所选取的磁芯有较低的磁芯损耗并且有较高的初始磁导率。TDK公司的PC95平面磁芯能满足这两点要求，并且有较高的饱和磁通Bs、较低的损耗、稳定性好，所以选用PC95磁芯做为实验的平面磁芯。下面是不同磁芯的材料参数，如表1所示，其中符号“-”代表无此参数。

2　脉冲变压器工作原理

对脉冲变压器的要求是在传送脉冲时，脉冲波形应该没有畸变。但在实际上，由于变压器寄生参数的影响，使电压脉冲波形发生畸变［5］。脉冲波形失真主要有以下几个方面：

表1　磁芯材料参数表

1）上升沿和下降沿倾斜，即存在上升时间和下降时间。

2）上升过程的结束时刻，有上冲，甚至出现震荡现象。

3）下降过程的结束时刻，有下冲，也可能出现震荡形象。

4）平顶部分是逐渐降落的。

这些失真反映了实际脉冲变压器和理想变压器脉冲波形的差别，原因在于实际的变器存在寄生参数。寄生参数造成的脉冲波形失真主要包括以下几个方面［6］：

1）脉冲前沿

脉冲前沿包括脉冲上升时间和过冲两部分。因为脉冲变压器存在漏感和绕组及结构组件间的分布电容，这些寄生参数的存在，使前沿很陡的脉冲电压加到变压器上时，以及脉冲结束后，在变压器电路中产生复杂的振荡过程。这些振荡严重影响脉冲变压器的工作，使要变换的脉冲波形发生畸变。

2）脉冲后沿

下降过程的末了时刻，有下冲，也可能出现振荡。脉冲电压结束以后，变压器电路中产生了复杂的振荡过程。当电路中存在非线性元件时，这个过程会更剧烈［7］。当脉冲结束时，电抗性元件中已经储存了一定的电能和磁能。因此，要发生复杂的振荡过程，并产生很大的下冲。

3）脉冲顶降

平顶降落主要由绕组电感和初级电路电阻确定，寄生参数对平顶降落实际上没有影响。

脉冲顶降的主要原因是脉冲变压器励磁电流的增长，即由于并联的励磁电流分流而引起输出脉冲的顶部降落［8］。为减小顶压降，要尽量增大初级励磁电感量Lm，这就要求磁芯材料具有较高的脉冲磁导率μp。脉冲顶峰是脉冲的最大幅度，即尖峰电压，顶部可能会出现振荡现象，应尽量减小脉冲变压器的漏感和分布电容，为此需要使初级匝数尽可能的少。

因此，通过上面的分析，文中就针对脉冲变压器存在漏感和分布电容等寄生参数产生波形畸变失真的问题，利用不同的绕组形式，通过对匝数等比情况下的初次级匝数同步变化，产生的波形来分析降低波形畸变的合适匝数。

3　实验结果及分析

设计一个用平面变压器代替传统环形变压器的半桥电路。电路的主要参数是：f=207 kHz，Ui=100 V，Ii=0.1 A，Uo=2 V，Io=4 A。用TDK公司的PC95型磁芯作为脉冲变压器的平面磁芯，分别绕成匝数为7、10、15、20的平面变压器。在匝数等比的方式下，绕线方式用初、次级并绕。首先用线绕式平面变压器做实验，其试验结果可为多层印制板平面变压器的设计做前期的准备与参考。

PC95型磁芯的主要参数是：有效截面积Ae=14.7 mm2；有效磁路长度Le=20.7mm；磁芯有效体积Ve=304mm3；磁芯重量Me=1.5g

饱和磁通密度Bsat=4 700 Gs（25℃）

磁通密度的最大值Bmax通常是饱和磁通密度Bsat的一半，考虑工作周期内剩磁的影响，所以取最大磁通密度Bmax为2 000 Gs（25℃）。

初级的匝数计算公式为：

式（1）中：

Vjn—驱动变压器初级电压的最小值，单位是V；

Dmax—最大占空比，半桥电路的最大占空取0.45；

Ae—磁芯横截面的面积，单位是cm2；

Bmax—磁芯磁通的最大变化量，单位是高斯；

f—频率，单位是Hz。代入数据可得：

在匝数等比情况下，初次级取不同的匝数时，测得的初、次级波形如下所示：

1）初、次级匝数是7、7匝时的波形分别如图1所示。

2）初、次级匝数是10、10匝时的波形分别如图2所示。

图1　初、次级匝数是7、7匝的波形图

图2　初、次级匝数是10、10匝的波形图

3）初、次级匝数是15、15匝时的波形分别如图3所示。

4）初、次级匝数是20、20匝时的波形分别如图4所示。

图3　初、次级匝数是15、15匝的波形图

图4　初、次级匝数是20、20匝的波形图

波形分析：

1）通过实验测出的波形畸变包括前后沿加宽，前沿顶部出现上冲，脉冲平顶降落以及产生反峰，与理论分析的结果相似。

①脉冲变压器绕组间存在漏感，绕组之间、绕组和磁芯间存在分布电容。寄生参数的存在，使前沿很陡的脉冲电压加到变压器上时，在电路中产生复杂的震荡过程。当匝数越少时，寄生参数越大，畸变越严重。

②脉冲电压结束后，漏感和分布电容中存储的能量越少，则震荡的幅值越小，波形失真就越小，匝数是10、15匝时，震荡幅值减小。

2）理论计算出的匝数与实际测量的相差较大。公式计算得出的最小匝数是7.4匝，实验测试得到的满足要求的最小匝数为10匝。原因有以下两点：

①磁芯生产过程中参数的不一致性使磁芯的电感量降低，导致实际中需要更多的匝数得到电路所需要的电感量。

②在变压器实际工作过程中的磁芯损耗和线圈损耗带来温升，温升对铁氧体的工作有影响。当温度升高时，会使磁通密度下降，即计算公式中分母上的Bmax值减小，结果使实际的匝数比计算出来的大一些。

3）从上面结果中可以看出使用平面磁芯后得到使波形畸变较小的最小匝数，下面用最小二乘法对两组测试数据拟合，得到不同次数的拟合曲线来验证测试所得最小匝数。表2和表3中的n代表变压器初级的匝数，U代表变压器初级的直流电压。

表1　第一组测试数据

表3　第二组测试数据

拟合曲线如图5所示。

图5　第一组测试数据下不同次数的拟合曲线

拟合曲线如图6所示。

分析拟合曲线，初、次级的最小匝数在10～15匝的范围内。结合测试波形，匝数为15匝时的波形比匝数为10匝的波形失真较小，但从印制板PCB平面变压器的工艺实现以及对电路性能影响角度出发，初、次级匝数越少越好，所以可选择10匝。

4　结论

1）正确选择变压器磁芯和绕制方式，能减少驱动信号传输失真。要以实验波形为依据，反复实验才能得到最优驱动变压器。

图6　第二组测试数据下不同次数的拟合曲线

2）从理论计算公式得到的最小匝数，但没有经过实验的验证。应以计算的最小匝数为基础，通过测试不同匝数下的波形，得到满足波形畸变较小的匝数。

3）由测试得到的不同匝数下的驱动波形电压值，用最小二乘法得到拟合曲线验证测试结果。从拟合曲线上可以直观地看到变化趋势和最小匝数范围。

综上所述，在实际设计中为使驱动信号的波形失真较小，驱动电压脉冲的前沿、后沿具有合适的陡度和顶降，使用平面磁芯的脉冲变压器利用最小二乘拟合与实验相结合的方法，选择合适的匝数，可以有效的减小波形失真，这也可为PCB印制变压器的设计提供参考。

参考文献：

［1］黄智宇，翟章豪，徐正龙.基于桥式拓扑的脉冲变压器隔离驱动器优化设计［J］.电气传动，2014，44（2）：75-80.

［2］时米生.铁盐体平面变压器的结构原理与应用［C］//中国电子变压器第一届联合学术年会论文集：2003：102-108.

［3］Jajn K K，Smjth P W. Fast-Rjse-Tjme pu1se transformers buj1t form rotated stacked 1：1 transformers［J］.IEEE Trans on P1ansma Scjence，2006，4（5）：1853-1857.

［4］Mu1der S.A.App1jcatjon note on the desjgn of 1ow profj1e hjgh frequency transformers［C］//Ferroxcube Components Inc，1990：224-229.

［5］旷建军，阮新波，任小永.平面变压器中并联绕组的均流设计［J］.中国电机工程学报，2005，25（14）：146-150.

［6］于庆光，宾熊辉，杨玉岗.平面变压器磁集成技术［J］.功能材料，2004（35）：859-863.

［7］王全保.电子变压器手册［M］.辽宁：辽宁科学技术出版社，2007.

［8］王瑞华.脉冲变压器的设计［M］.2版.北京：科学出版社，1996.

Based on changlng the number of turns deslgn of Planar Pulse transformer

WU Ljn-yu，WANG Wej-guo
（Lanzhou Institute of Physics，China Academy of Space Technology，Lanzhou 730000，China）

Abstract:For drjvjng pu1se transformer，1eakage jnductance，djstrjbuted capacjtance and other parasjtjc parameters produce waveform djstortjon. Thjs paper proposes a desjgn method of p1ane pu1se transformer based on changjng the number of turns. Fjrst1y，ana1yzjng pu1se transformer's equjva1ent cjrcujt of each workjng stage，then se1ectjng good performance p1anar magnetjc core PC95 of TDK company，wjndjng the pu1se transformer wjth p1anar magnetjc core to rep1ace tradjtjona1 pu1se transformer wjth torojd core. To test the affectjon of parasjtjc parameters of the cjrcujt on the pu1se vo1tage waveform djstortjon，choosjng djfferent number of turns for the prjmary and secondary sjde，testjng waveforms at djfferent turns condjtjons，fjna11y，the number of turns and the vo1tage va1ue was fjtted by the 1east squares method. Trends observed wjth the fjtted curve and then se1ect the approprjate number of turns. Experjmenta1 resu1ts show that usjng p1anar magnetjc core for pu1se transformer can effectjve1y reduce the waveform djstortjon wjth proper turns.

Key words:pu1se transformer；p1anar magnetjc core；waveform djstortjon；1east square method

中图分类号：TN782

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0120-05

收稿日期：2015-05-21稿件编号：201505194

作者简介：吴临玉（1989—），女，甘肃临洮人，硕士研究生。研究方向：空间电子技术。