多级一次升压行输出变压器

近年来大屏幕黑白电视机和彩色电视机采用了一种多级一次升压行输出变压器。它与普通的行输出变压器不同的是其高压绕组分成多段绕制，并在各段之间分别接上高压整流二极管（如图1），其输出的直流超高压是经多级整流，再串联在一起（一次升压）而产生的，因此被称为多级一次升压方式。又因这种行输出变压器的高压绕组与低压绕组和高压整流二极管被封灌在一起，所以又称为一体化行输出变压器。

这种行输出变压器的主要优点是：体积小、可靠性高、输出的直流超高压稳定，使电视机的高压调整率获得显著改善，因而可以大大减少电视机在亮度变化时所引起的光栅幅度的变化。因此，它已获得了广泛应用。

行输出变压器的一个主要功能是产生显象管所需的直流高压（黑白电视机约10000伏以上，彩色机约20000伏以上），而超高压的稳定与否将影响显象管电子束的偏转角度。行输出变压器输出的超高压的变化与整流器的内阻大小及负载电流的变化有密切关系。内阻小、负载电流变化小时，输出的直流高压就稳定，内阻大、负载电流变化大输出的高压变化就大。行输出变压器超高压绕组的负载是显象管屏幕高压回路，其电流即为电子束电流，由于电子束电流是随图象内容变化的，因此要保持超高压的完全不变比较困难，通常要求高压调整率在10％以内。所谓“高压调整率”就是在显象管电子束电流变化时行输出变压器输出的直流超高压变化的大小的百分数。对黑白电视机来说电子束电流变化时超高压的变化最好小于1000伏，彩色电视机的超高压变化最好小于2000伏，这时光栅的幅度变化就很小。在大屏幕黑白电视机中，尤其在彩色电视机中，由于电子束电流的变化很大（可从0～1000μA左右），要使高压调整率在10％以内就很困难。当然可以采用稳压措施来保持超高压的稳定，但因超高压十分高，所需措施就十分复杂，必然带来成本增高及可靠性的降低。降低行输出变压器超高压整流部分的内阻却是改善高压调整率的理想方法。

我们知道：在行输出管关断的瞬时，行偏转线圈就向逆程电容充电，当逆程电容充电到最大值时（也就是行偏转线圈中的磁能全部转变为逆程电容中的电能时），就更新向行偏转线圈放电，形成了自由振荡，如图2。这个振荡一方面实现了行偏转电流从正向负的反转，另一方面产生高于电源电压8～10倍的行逆程脉冲。根据要求，其振荡的半周期应为12～14μS，即振荡频率f\(_{1}\)=1/2×（12～14）×16\(^{-}\)6≈35～40KHz，这个频率称为基频。因为行逆程脉冲宽度受到光栅回扫时间的限制，一般不能超过14μS，否则会降低图象的重现率。然而对于同样宽度和高度的脉冲进行整流时，波形面积大的（如方波脉冲）比波形面积小的（如三角波脉冲）在整流管中的导通电流要大（导通角大），使整流器的内阻降低。因此，只要控制行逆程脉冲的波形就可以降低超高压整流部分的内阻，从而改善高压调整率。

电视机中的超高压是通过行输出变压器的高压绕组把行逆程脉冲电压升高，再经整流器整流而产生的。由于所需电压很高，所以超高压绕组的圈数就很多（一般1500～3000左右），这就不可避免地增大了高压绕组的分布参数（包括高压绕组本身的分布电容、对地分布电容和漏感）。由分布参数形成的回路也受到偏转线圈磁能的激发，也会产生振荡，我们称它为寄生振荡，其频率为f\(_{2}\)。f2与基频f\(_{1}\)是由偏转线圈的磁能同时激发产生的，因此在行输出管集电极处的起始相位相同，而在高压输出端的相位相反。由于分布电容和漏感的数值比逆程电容和行偏转线圈电感的值小，所以f2高于f\(_{1}\)。f2是在高压绕组中产生的，阻尼管不会对它有影响，在行逆程脉冲消失期间，即扫描正程内f\(_{2}\)仍然存在，这就会使光栅上出现亮暗相间的垂直条（通常称为振铃或肋骨条）。把示波器的输入探头接近高压绕组时我们就会看到如图3所示的波形，f2幅度越大，振铃条现象越严重。实践和理论分析都证明：如果能适当控制高压绕组的分布参数，使寄生振荡频率f\(_{2}\)调谐于基频f1的奇次倍。如三次、五次……等，分别称为三次调谐、五次调谐……高次调谐等如图4，不仅可以减弱或消除振铃现象，还可以改变行逆程脉冲波形的形状，从而改善高压调整率。

在三次调谐时，分布参数形成的寄生振荡频率f\(_{2}\)为f1的三倍，f\(_{2}\)≈3×（35～40）KHz≈105～120KHz。由于寄生振荡f2在行输出变压器初级（即逆程电容上）引起的电流与其次级（即高压绕组的分布电容上）产生的电流正好反相，所以在行输出管集电极上测得的波形如图5（a）实线所示，为基波与三次谐波的合成波。在高压绕组上测得的合成波形如图5（b）实线所示。比较这两个合成波形可见，在三次调谐的情况下，行输出管集电极所产生的电压峰值比基波峰值电压一般约低（15～20）％，因而降低了对行输出管的反压要求。而在高压绕组上所感应的电压峰值比基波电压高（15～40）％，因此在要求同样高的电压下，可减少行输出变压器高压绕组的圈数。

由图5（b）波形可知，高压绕组中的合成波形中间较窄，使得超高压整流用的脉冲面积较小，这样就使高压整流管的导通电流减少，引超高压整流部分的内阻增大。因此三次调谐的方法只有在显象管电子束电流变化较小的9英寸、12英寸黑白电视机中采用。

五次调谐，即寄生振荡频率f\(_{2}\)在180～200KHz时，和三次调谐情况正相反，行逆程脉冲波形成中间尖、两边陡的形状如图6（a）实线所示，而在高压绕组上测得的合成波形为中间较宽的形状如图6（b）实线所示，比较图6（b）与图5（b）的合成波形可知，图6（b）的合成波形面积大，使高压整流管中的导通电流大，因而五次调谐可使高压整流部分的内阻比三次调谐时的低，其高压调整率也就比三次调谐的好。

由图6（a）可知，行输出管集电极输出的行逆程脉冲波形两边较陡，起始斜率较小，这就降低了行输出管的关断时（集电极电流下降时）的功耗。

由于五次调谐时的频率f\(_{2}\)比三次调谐时的频率高，所要求的高压绕组的分布参数就要小，在多级一次升压行输出变压器出现以前，都是采取减少高压绕组圈数的方法来满足要求，而采用倍压整流的方法得到超高压。

实践和理论的进一步分析发现：如果能实现高次的调谐，例如九次、十一次调谐等，可以使行逆程脉冲波形更宽，高压调整率更好。但是，要实现高次的调谐，仅仅采用减少高压绕组圈数的方法是有限的，需要研究更合适的方法。

实现高次调谐的关键是减少高压绕组的分布参数，即减少漏感和分布电容，使其达到所必需的数值。

减少漏感的方法之一是增加高压绕组与初级绕组的耦合程度，使高压绕组如图7那样紧贴着初级绕组绕制。但这会使高压绕组对地分布电容大大增加，高压绕组总的分布参数并未减少，寄生振荡频率f\(_{2}\)仍然很低，还不能实现高次调谐。而多级一次升压行输出变压器的主要特点就在于它的高压绕组分布参数可以做得很小。它的高压绕组虽然也采取图7那样紧贴在初级绕组外面绕制，但却是分成多段的方式绕制的，而且在段与段之间用高压整流管连接起来，这样就大大减少了高压绕组的分布参数，从而实现了高次调谐。

为什么多级一次升压方式能大大减少高压绕组的分布参数呢？下面作一简单介绍。

图8示出了一种多级一次升压行输出变压器的电原理图，为了简化说明，图中把高压绕组只分成了A\(_{1}\)2\(_{3}\)三个分段，各分段之间均接有高压整流管D1、D\(_{2}\)、D3。实际的多级一次升压行输出变压器把高压绕组分成四段或五段。

假设：A\(_{1}\)2\(_{3}\)三个分段绕组的圈数都相等，三个分段本身存在的分布电容Cs以及对地分布电容C\(_{d}\)也完全一样。由于三级一次升压行输出变压器高压绕组的三个分段之间接有高压整流二极管，当A1分段从初级绕组感应得到一个交流行脉冲电压U\(_{1}\)时，通过整流管D1整流和对地分布电容C\(_{d1}\)的滤波，在A点（见图8）便得到直流电压E1。由于A\(_{2}\)分段绕组同时也从初级绕组感应获得一个交流行脉冲电压U2，所以在整流管D\(_{2}\)的正端就得到直流电压E1与U\(_{2}\)的叠加。而U1=U\(_{2}\)，这样通过D2整流和C\(_{d2}\)的滤波，在B点的直流电压就为E1＋E\(_{2}\)=2E1。同理，在整流管D\(_{3}\)正端的电压就是直流电压2E1再叠加上由A\(_{3}\)分段感应得到的交流行脉冲电压U3，于是C点的直流电压就为2E\(_{1}\)+E3＝3E\(_{1}\)（因E1＝E\(_{2}\)＝E3）。此直流电压就是供给显象管的超高压，上述叠加的过程可用图9表示。

可见三级一次升压行输出变压器与普通行输出变压器不同的是其直流超高压由三次整流叠加而得，而普通行输出变压器是把行逆程脉冲电压直接升至所需值。图10为高压绕组不分段的普通行输出变压器电原理图，假定其初、次绕组圈数和三级一次升压行输出变压器的完全相同。为了便于与图8比较，把图10的高压绕组分成A\(_{1}\)2\(_{3}\)三个分段，并假设其高压绕组的总圈数和初级绕组的圈数比为N，每个分段绕组的圈数与初级的圈数比为n，各绕组本身的分布电容和对地分布电容也分别用Cs和C\(_{d}\)表示。这时三个分段绕组本身的分布电容Cs是串联的，所以总的电容量为C\(_{s}\)／3，折算到行输出变压器初级的总分布电容量Cs01=N\(^{2}\)×C\(_{s}\)/3=3n2Cs（因其中N=3n）。而三个分段对地分布电容量由于是随着高压绕组的圈数增加的，所以折算到初级的总电容量C\(_{d}\)01就应该按着不同的变压比n、2n、3n来计算。这样：Cd01＝n\(^{2}\)C\(_{d}\)+（2n）2Cd+（3n）\(^{2}\)C\(_{d}\)=14n2Cd。

在三级一次升压行输出变压器中，因高压绕组的三个分段之间接有高压整流二极管，对直流来说，把三个分段绕组感应得到的交流行脉冲电压整流为一单向脉动电压。但对交流分量来说，由于寄生电容C\(_{s}\)和Cd的旁路作用而到地，所以三个分段下端的交流电位均为地电位。这时三个分段为并联电路如图11，各分段的对地分布电容C\(_{d}\)折算到初级的总电容值Cd01=n\(^{2}\)C\(_{d}\)＋n2Cd＋n\(^{2}\)C\(_{d}\)=3n2Cd。这说明高压绕组分成三段时的对地分布总电容值仅为普通不分段的对地分布总电容值的3／14（约1／5左右）。由上述分析可知：高压绕组分段越多，对地分布总电容值就越小，高压绕组的分布参数就越小，所能实现的调谐次数越高。一般可达九次或十一次之高。

图12是一种实用的四级一次升压行输出变压器的结构图。其低压绕组（包括初级）绕在一个紧贴磁心的骨架上，外面套上高压绕组（次级），高、低压绕组分绕在两个骨架上，以保证高、低压绕组之间的绝缘。高压绕组紧贴低压绕组平绕，以减少高、低压绕组之间的漏感。这里是把高压绕组分成了四段，每段又分别平绕在高压绕组骨架的两个（有的是三个或更多个）槽内，以减少每段绕组自身的分布电容。高、低绕组绕制完毕装上高压二极管，然后把它们全部装在一个用阻燃塑料压制成的外壳内，并用绝缘性好、无毒性、无腐蚀性、易固化、耐高温材料灌封起来，以消灭打火现象，装上直径10mm高导磁率（μ\(_{0}\)＞2000）的优质磁心，一个四级一次升压行输出变压器即算完成。

多级一次升压行输出变压器中，使用的都是玻璃封装的高压整流二极管，不能用一般高压硅堆。因为高压硅堆不仅体积大（长约40～50mm），很难装配在分段绕制的高压绕组之间，而且更主要的原因是一般高压硅堆的功耗大、热稳定性差。

玻璃封装的高压二极管，是用低熔点玻璃直接沉积在叠层结构的硅片表面而成的。由于玻璃的温度特性稳定、绝缘性好，不仅体积可以做得很小（长约8mm），而且具有高压硅堆远远达不到的下列优良性能：一、功耗小，高压整流二极管的主要功耗是在反向工作期间，采用玻璃封的二极管的反向漏电流十分小，所以功耗就很小。只在高压硅堆的40％以下，因此它本身的发热量也就大大下降；二、热稳定性好，通常高压硅堆在环境温度125℃时，击穿电压只能达到原来指标的50％，到150℃时只有10％以下。而玻璃封装二极管即使在环境温度到达150℃时，击穿电压也仍然能保持在原来的指标。这样，在散热条件很差的密闭封装的高压绕组中，也能保证性能的稳定；三、防水性和阻燃性也非常好，曾把玻璃封装的高压二极管放在水中煮沸40小时以上，它的击穿电压仍然保持在原来指标。而一般高压硅堆在水中煮沸10～20小时后，击穿电压就下降为原规定指标的30％～40％；四、寿命长，按每天工作10小时计算，一般寿命可达十年以上。因此，可以保证行输出变压器的高可靠性。

图13是金星牌C56-402型22英寸彩色电视机的四级一次升压行输出变压器电原理图。其中低压绕组包括：初级绕组（5—7）、180伏绕组（7—9）、12伏绕组（2—3）和显象管灯丝绕组（8—10），它们绕在同一个低压绕组骨架上。高压绕组分成四段，中间分别接有四个玻璃封装的高压二极管，同时还封装有高压和聚焦滤波电容以及电阻等元件。这个行输出变压器工作在九次调谐状态，适当调整磁心间隙可满足要求。它的初级波形如图14。其高压稳定性经实测表明，当显象管的电子束电流从0～1000μA变化时，输出的高压在22.8千伏和21千伏之间变化，仅在10％以内，因此，其性能比较理想。(朱元芳)