在高頻變壓器設計中，對寄生元件的細致管理對于確保變換器效率至關重要。寄生自電容和漏電感在與開關損耗、電磁干擾和諧振問題相關的電力電子學中非常重要。

本文探討了從U型到蛇形及三維成型扇形繞組等特定匝道進程如何影響磁性元件的寄生特性。

回合進展如何影響寄生自能？

寄生自電容指的是繞組結構中儲存的電場能量，由方程E = CV控制2/2.因此，自電容依賴于相鄰導體或層之間的電壓電位差。繞組方案決定了該勢分布。

將匝位與電位差大相鄰的結構，會帶來更高的靜電能量儲存和有效電容。另一方面，最小化相鄰匝道或層之間電壓梯度的架構，其寄生電容更低。

關于標準繞組，U型和Z型結構有何不同？

其中一個關鍵區別在于標準的非交織繞組方法。它們以不同的方式管理層與層之間的轉換，這意味著它們表現出不同的電容行為。

圖1的方案A中的U型進階包括完成一整層（例如第1至4回合），然后在上一層末端上方開始下一層（例如第5回合位于第4回合之上）。

圖1。線繞匝進階比較：（A）U型，（B）Z型，（C）分段式，（D）銀行（漸進式）結構，展示了層填充與電壓梯度之間的權衡。（圖片來源：IEEE)

這種配置在過渡點產生較高的電位差，因為第一層的末端（相對于起始的高電位）物理上與第二層起始相鄰。這種變化會導致陡峭的電壓梯度，從而獲得比其他標準方案更高的靜電儲存能量和更高的自電容。

在圖1的方案B中，Z型進度中，線材會穿過梭芯，使得第二層從第一層起點正上方開始（例如，第5彎位于第1圈之上）。

這種布置允許相鄰層之間的電勢差更為一致。此外，模擬表明層間的能量密度低于U型構型，導致自電容降低。

為什么分段繞組和銀行繞組被用于低電容應用？

通常使用截面（方案C）和銀行（方案D）繞組，通過改變繞組結構上的電壓梯度來最小化電容。如圖1的方案D所示，該方法采用垂直、反傾角的漸進，即匝道立即疊加在前一匝上，而不是先填滿水平層。

關鍵在于該架構最小化物理相鄰匝數之間的電壓差。通過有限元分析（FEA）進一步觀察，方案D在層間存儲的靜電能量更少。例如，比較研究表明，銀行繞組可實現測量到低至1.3 pF的自電容，而標準U型繞組僅為28 pF。

截面繞組方案將繞組劃分為物理上分離的部分（例如，1–2匝與3–4圈之間由介質壁分隔）。將總繞組電壓劃分為分離段，可以降低任一段的有效電壓勢。換句話說，這導致自電容低（例如測量為4.2 pF），使其在高壓應用中非常有效。

這些方案中漏感的權衡是什么？

雖然方案A、B、C和D作為簡單的初級/次級疊加實現時，可以隔離繞組以管理電容，但這種物理分離增加了繞組間空間中儲存的靜磁能。這構成了泄漏通量。

因此，非交織設計通常表現出更高的漏電感。例如，標準U型設計（W1）可能測量到550 nH的漏電感。

為減少漏感，工程師常使用交織結構。交織可最小化MMF峰并改善磁耦合，從而降低漏電感，達到同樣的目的。然而，繞組距離越近，通常會使組組間電容增加。

蛇形法如何解決高頻平面變壓器中的這一問題？

LLC諧振變換器中的平面變壓器由于平面繞組表面積較大，面臨寄生電容的挑戰。交錯蛇形纏繞法（見圖2（e）和（f））展示了這個問題。

圖2。交織蛇形繞組法（e和f）的橫截面，顯示層間垂直交替，以最小化電位差和寄生電容。（圖片來源：IEEE)

與U型平面繞組不同，后者在完成一層后再進入下一層，蛇形法采用水平螺旋結構，上下層垂直交替排列。

• 電容降低：交替層（例如，底部的第1圈連接到頂部的第2圈）使相鄰垂直轉彎之間的電勢差降低到大約V/n（n為匝數）。

• 電感降低：值得一提的是，實驗數據表明蛇形繞組可實現較低的漏電感（0.07 μH），相較于U型平面繞組（0.54 μH），同時降低有效電容。

3D打印模具如何影響環形變壓器？

環面變換器在優化方面帶來了具體的幾何挑戰。圖3展示了3D打印聚乳酸（PLA）模具的研究，展示了一種同時管理電容和電感的方法。

圖3。采用3D打印PLA模具的改良環形變壓器設計，物理隔離次級繞組與初級繞組，形成180°扇形配置。（圖片來源：MDPI)

使用PLA模具時，該架構覆蓋了次級繞組，初級繞組以180°扇形結構繞過模具。

• 電容，即模具提供介電屏障和物理距離，約降低87%的繞組寄生電容（約~20 pF）。

• 電感，正如標準理論所說，物理間距通常會增加漏感。然而，這種改良設計允許增加初級繞組的平均匝數。因此，這一幾何變化相比傳統設計實現了可測量的漏感降低。

摘要

匝數的進展是變壓器制造中一個重要的設計變量。銀行（方案D）和分段（方案C）繞組電容較低，但在非交織結構中可能表現出更高的漏電感。在平面應用中，蛇形法有效減少了這兩個參數。此外，對于環形應用，3D打印模具實現扇區繞組幾何形狀，抑制電容和漏電感，使高頻逆變器工作更高效。