[原创] 绕组的分布电容

maychang 2020-3-17 14:34 楼主

　　所有电感，包括变压器，都是铜线或者其它金属导线一匝一匝绕成的。所有电感，都具有分布电容，区别仅仅在于分布电容的大小而已。
　　图(01)是个单层绕组(也称线圈)示意图。

图(01)
　　图(02)是图(01)的剖面图。图中可见，该绕组(假定)有30匝，第1匝在左，一匝一匝向右密绕。这种绕法，通常叫做单层平绕。

图(02)
　　图(02)中每匝与其相邻匝之间都具有分布电容，30匝就有29个电容，这些分布电容构成串联关系，如图(03)所示。必须说明：第01匝与第03匝之间也有电容，但此电容由于第02匝的存在，是非常小的，远远小于相邻两匝之间的分布电容，可以忽略。所以，单层平绕这种绕法的分布电容相当小。

图(03)
　　如果绕组匝数比较多，一层绕不下，那就不可避免地要绕多层。最简单的多层绕法是绕到一端后，从此端往回绕。如图(04)，向右绕完30匝，然后再向左平密绕30匝，绕到起点。

图(04)
　　这种绕法通常叫做多层平叠绕。
　　我们来分析分析多层平叠绕的分布电容。
　　如图(05)所示，两层导线之间也存在分布电容。第60匝与第01匝之间具有分布电容，第59匝与第02匝之间也存在分布电容……斜向位置的两匝导线如第60匝与第02匝之间也存在较小的分布电容(但比图03中第01匝与第03匝之间的分布电容要大不少)，图中没有画出来。

图(05)
　　图(05)中，特别将第60匝与第01匝之间的分布电容标注为C。
　　虽然图(05)中第01匝与第60匝之间的分布电容和第30匝与第31匝之间的分布电容相同，但是，流过图中分布电容C的电流却与第30匝与第31匝之间分布电容的电流不一样。第30匝与第31匝之间的分布电容上面的电压是1匝的电压，而第01匝与第60匝之间的分布电容C上面却是60匝的电压，所以流过分布电容C的电流要比流过相邻两匝之间的分布电容的电流大得多。
　　和图(03)相比较，如果其它条件都相同(线圈直径、导线直径、绝缘层厚度……等等)，图(05)中两层平叠绕绕组的分布电容比图(03)中单层平绕绕组的分布电容要大得多，至少是图(03)绕组的几十倍(不小于30倍)。
　　如果导线比较细而且匝数比较多，两层还绕不下，需要绕更多层(小功率工频变压器原边就是这样)，那么绕组的分布电容会更大。
　　某些开关电源，例如要求输出的直流电压很高但电流很小(例如要求输出3kV10mA)的单端反激开关电源，电路就像图(11)，但对输出电压电流要求不同，其变压器副边匝数就很多而且用线比较细。对这样的变压器，多层平叠绕法的分布电容就嫌太大了。如果用多层平叠绕法，很可能输出直流电压达不到按照匝数比计算的数值，因为变压器副边绕组分布电容把相当一部分电流短路掉了。

图(06)
　　图(06)的绕法比图(05)要好。图(06)的绕法是：向右绕完第1层后，把导线拉到始端继续向右绕。这种绕法，因为第31匝与第01匝之间电压比图(05)中第60匝与第01匝之间电压要小，所以流过第31匝与第01匝之间分布电容的电流要比图(05)中分布电容C中电流要小。两层绕线分布电容又是串联的，所以这种绕法电感两端总的分布电容比较小。
　　另一种绕法是乱叠绕，也就是导线不是一层一层绕平整，而是互相交叉地绕。乱叠绕不必一圈一圈排整齐，比较方便。乱叠绕分布电容比平叠绕要小，但是因为导线有交叉，同样直径同样匝数，占用的窗口面积比平叠绕要大。
　　图(07)所示绕法分布电容更小。图(07)按照导线数字顺序是这样绕的：绕两匝(或者三匝)就把导线退回到始端，第03匝和第04匝叠绕在第01匝和第02匝上，然后第05匝和第06匝绕在第一层。以后依次类推。不过，这种绕法即使是经验丰富的老手，也很难绕平整，太难绕了。而且，如果需要叠10层那么高，宽度却限制在平绕5匝，非常难绕出来——叠那么高，不到10层就倒了。

图(07)
　　不过没关系，我们把绕线骨架分成若干格，每格宽度限制在很小，绕满一格后把导线拉到下一格继续绕，就可以叠得相当高，宽度却很小。
　　如图(08)所示，假定我们需要绕340匝，骨架有4格，我们可以在第1格绕85匝，然后导线拉到第2格继续绕85匝……直到把4格绕完。绕组的一头一尾恰在对角线位置。
　　这种分格绕法实际上不可能平绕，都是在每格里面乱叠绕。
　　分格绕法的分布电容相当小，而且绕组的一头一尾距离远，每格内两层导线之间绝缘承受的电压比较小，特别适宜高电压小电流的绕组。

图(08)
　　图(09)就是这样一种骨架。左边有两格，格宽比较大。两格之间隔板有缺口，用于将导线从一格拉到另一格。中间是特别窄的四格，右边是比中间稍宽的六格。这种骨架就是专门用于分格绕法而制作的，特别适宜要求高电压小电流同时要求低分布电容的绕组。

图(09)
　　图(10)是老式显像管电视机的行输出变压器骨架，共分成11格。电视机显像管需要高达20kV甚至更高的直流电压，但电流相当小，连1mA都不到。如果不是采用这种分格绕法，根本不可能输出这么高的电压。一来导线的绝缘成问题，二来分布电容将使电压降落太多。

图(10)
　　如果电压不是很高，分布电容是否就不重要？
　　分布电容会使电感的感抗减小，因为分布电容等效于与电感并联一个电容，而分布电容的容抗和电感的感抗会互相抵消。所以，电压不是很高情况下，分布电容仍然重要，我们总是希望分布电容尽量小。
　　图(11)是个反激开关电源的电原理图。开关电源通常在交流市电输入处有个“共模电感”，用于防止开关电源产生的强烈干扰传输到交流市电线上，如图(11)中红色方框所示。

图(11)
　　图(12)借用网友zxhcdm《学做反激开关电源》一帖中的照片。图中左边红色箭头所指就是一个共模电感。可以看出：共模电感是在一个铁芯上绕了两个匝数相同的线圈。两个线圈同名端应该联接成对共模信号呈现高阻抗，但对差模信号没有影响。

图(12)
　　图(11)中共模电感和与其联接的电容如图(13)。

图(13)
　　图(13)中并未画出绕组的分布电容。如果把绕组的分布电容等效于与绕组并联的一个电容，画出来就是图(14)中红色电容。很明显，红色电容如果数值较大，频率很高时，甚至可能使共模电感的感抗减小很多，必然会影响共模电感对共模信号的抑制作用。这可能会使开关电源EMI超出指标。

图(14)
　　普通共模电感结构如图(15)，是两个绕组乱叠绕在骨架的两格中。图(12)照片中共模电感就是这样的。

图(15)
　　而图(16)共模电感的结构，是将每个绕组分别绕在骨架的两格中。我们已经知道，分格绕法可以减少分布电容。所以图(16)绕组的分布电容要比图(15)那种绕组的分布电容小。
　　当然，图(16)共模电感结构稍复杂，窗口利用率也稍小，成本有可能稍高。我们在使用共模电感时，应该综合考虑。

图(16)
　　图(17)这种共模电感更特殊。它是用漆包扁铜线立起来单层绕制的，这样绕制，可以在尽可能短的长度内比圆铜线绕更多匝数。我们已经在图(03)中说明：单层平绕这种绕法的分布电容相当小。所以，图(17)这种共模电感的分布电容比图(16)那种更小。
　　不过，图(17)这样的共模电感，成本必定较高。还是那句话：我们在使用共模电感时，应该综合考虑。

图(17)
　　电感绕组的分布电容，也并非一无是处。前面已经说到过，分布电容可以等效为与电感并联的一个集中参数的电容。可以看出：电感和分布电容构成一个LC谐振回路。在某个频率上，电感和分布电容会发生谐振，此时回路中电压或者电流最大。倒底是电压还是电流，要看信号是如何引入的——是信号直接施加在电感两端，还是通过互感引入。某些情况下，例如滤波电路，利用这个特性，可以改进性能。不过，分布电容毕竟是分布参数，电感制造过程中分布电容数值的分散性相当大，要利用分布电容来提高电路性能，比较困难。