CN103730234A - 一种基于多对绕组的脉冲变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多对绕组的脉冲变压器，包括多个原边绕组和多个副边绕组；原边绕组通过磁芯与对应的副边绕组耦合；多个原边绕组依次串联后连接初级电源，副边绕组高压端串接有整流硅堆；多个串接有整流硅堆的副边绕组各自连接对应的负载或并联后连接同一个负载。本发明从电气原理上根本解决了变压器在大电流负荷时，多个硅堆联用的电流平均分布问题；同时本发明可以将其负荷均分至多个常规型号的磁芯，避免了因磁芯体积要求过大，需特别定制带来的高额成本以及性能的不稳定性；变压器的多个副边可以并联至单一负载，也可以独立连接至单独负载，对不同情况可灵活应用。

Description

一种基于多对绕组的脉冲变压器

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种基于多对绕组的脉冲变压器。

背景技术

脉冲功率技术是将能量在空间和时间上进行压缩，在极短的时间内释放大量的能量，以产生特定的物理或化学效应，在激光器、核聚变、军事、勘探、医疗、能源环境等领域有着广阔的应用。

基于电容储能，通过闭合开关快速闭合放电，是脉冲功率技术的主要技术途径。对于纳秒量级的脉冲形成，功率较大时（数十千伏，数千安以上），一般采用气体开关，气体介质一般为空气、氮气、氢气、二氧化碳、六氟化硫等。气体开关不同的设计参数（如开关电极间距、开关充气气压等）和加工工艺（电极加工成型精度、电极表面粗糙度等）会影响到开关的自击穿电压以及其稳定性。当采用直流充电时，因为开关长时间处于高压状态，在充电电压达到预期工作电压之前，很可能就会发生预击穿，影响系统稳定运行。采用脉冲充电，如数十微妙宽度的脉冲，开关受压过程缩短，预击穿的概率大幅降低，同时也降低了系统的绝缘要求，对于多个开关联用的脉冲功率系统和对系统稳定性要求较高的装置，有很大的意义。对于民用的脉冲功率系统，因为其面向于工业应用，对系统的重复频率一般要求较高。比如用于废气处理的低温等离子体电源，其峰值功率在兆瓦级别，但其重复频率一般要求几百到上千赫兹，平均功率几十至上百千瓦。

因此，脉冲功率技术中，快速、稳定、重复的充电技术是一个很重要的问题。一般而言，微秒级脉冲压缩有一下几种技术途径：1.磁开关压缩；2.Marx发生器；3.特斯拉变压器；4.带磁芯脉冲变压器。磁开关和Marx发生器可以实现大能量的单脉冲压缩，Marx发生器还可以实现电压的叠加，但该两种方案结构较为复杂，还需要单独的升压单元。特斯拉变压器可同时实现升压和脉冲压缩，因为不含铁芯，初级和次级的耦合系数较小，需要经过多次振荡才能达到最高转换效率，因此初级较难使用半导体开关进行控制，重复稳定输出性能较差。带铁芯的脉冲变压器因耦合系数高，能量转换效率也相对较高，可达到90%以上，压缩过程没有振荡，初级可以使用半导体开关控制，可重复稳定运行至几十千赫兹。

一般而言，带铁芯脉冲变压器在次级会串接整流硅堆进行整流，防止电流的反向振荡，使充电更加稳定。当单脉冲能量较大，或者重复频率较高、平均功率很大时，通过整流硅堆的峰值电流和平均电流将会很大，若硅堆的承载能力不足，会直接造成烧毁。因此，当电流负荷较大时，使用多个硅堆联用的办法，来分摊电流负荷。最简单的办法是多个硅堆直接并联，但每个硅堆的性能不可能完全一致，在导通状态下的电阻不是理想的平均化，因此电流的分布是不可能很均匀，假设其中一只硅堆导通状态电阻偏小，那么将承受很大的负荷，很可能超过其负载能力，造成损毁，同样存在较大的风险。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于多对绕组的脉冲变压器，其采用多磁芯多绕组设计，在副边可实现多路脉冲的均流输出，在高能量、高重复频率、高功率的运行条件下，大幅降低了硅堆过载受损的风险，提高了系统的稳定性。

一种基于多对绕组的脉冲变压器，包括n个原边绕组和n个副边绕组；所述的原边绕组通过磁芯与对应的副边绕组耦合；所述的n个原边绕组依次串联后连接初级电源，所述的副边绕组高压端串接有整流硅堆；

n个串接有整流硅堆的副边绕组各自连接对应的负载或并联后连接同一个负载，n为大于1的自然数。

所述的磁芯可采用矽钢片、铁氧体、非晶磁体、纳米微晶、坡莫合金或其他任意一种软磁材料。

所述的磁芯的形状可为开隙或不开隙的环形、O形或E型等。

所述的初级电源可为工频交流电源、谐振脉冲电源、方波脉冲电源、高频交流电源或三角波脉冲电源等。

所述的负载可为高压电容、传输线、Blumlein线、等离子体反应器或锂电池等。

所述的磁芯个数为多个，单个磁芯上绕置一对或多对原副边绕组。

每一对原副边绕组的匝数比均相同。

当初级电源输入一个低压脉冲时，因为所有的原边采用串联的形式，每一个原边绕组流通的电流是相同大小，即每一个原边馈入其绕组的能量是相等的，于是在不同的副边，可以得到相同能量的高压脉冲输出，其电流大小也是相等的。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

（1）从电气原理上根本解决了变压器在大电流负荷时，多个硅堆联用的电流平均分布问题；

（2）功率越大的变压器，其磁芯体积也越大，采用本发明的设计方案，可以将其负荷均分至多个常规型号的磁芯，避免了因磁芯体积要求过大，需特别定制带来的高额成本以及定制大体积铁芯因制作工艺不足带来的性能的不稳定性；

（3）变压器的多个副边可以并联至单一负载，也可以独立连接至单独负载，对不同情况可灵活应用。

附图说明

图1为本发明脉冲变压器的结构示意图。

图2为采用本发明脉冲变压器对纳秒脉冲功率系统快速充电的实施示意图。

图3为采用本发明脉冲变压器产生方波脉冲的实施示意图。

图4为采用本发明脉冲变压器驱动多个低温等离子体反应器的实施示意图。

图5为采用本发明脉冲变压器对电动汽车锂电池进行快速恒流充电的实施示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种基于多对绕组的脉冲变压器，包括n个原边绕组1和n个副边绕组3；原边绕组1通过磁芯2与对应的副边绕组3耦合；n个原边绕组1依次串联后连接初级电源5，副边绕组3高压端串接有整流硅堆4；n个串接有整流硅堆4的副边绕组3并联后连接负载6；每一对原副边绕组的匝数比均相同。

原边绕组1和副边绕组3通过磁芯2耦合，副边绕组高压端连接整流硅堆4，由此构成一个绕组单元W1。整台变压器由W1、W2···Wn共n个相同的绕组单元组成。每个单元的原边绕组1依次串联，再连接初级电源5，通过每个原边绕组的电流相等；副边绕组3经过整流硅堆4相互并联，再输出至负载6，流经每个副边绕组3和整流硅堆4的电流相等。

因所有的原边绕组1为串联方式，因此由初级电源5馈入到每个原边绕组1的电流相等，因此每个原边绕组1耦合到副边绕组3的能量相同，于是每个副边绕组3输出的电流大小是相等的。

实施例2

图2中，原边绕组1和副边绕组3通过磁芯2耦合，副边绕组高压端连接整流硅堆4，由此构成一个绕组单元W1。整台变压器由W1、W2···Wn共n个相同的绕组单元组成。每个单元的原边绕组1依次串联，再连接至初级脉冲电源5的电容6和半导体开关7；副边绕组3经过整流硅堆4相互并联，再连接至纳秒脉冲功率系统8的高压储能电容9，为其快速高压充电。

实施例3

图3中，原边绕组1和副边绕组3通过磁芯2耦合，副边绕组高压端连接整流硅堆4，由此构成一个绕组单元W1。整台变压器由W1、W2···Wn共n个相同的绕组单元组成。每个单元的原边绕组1依次串联，再连接至初级方波脉冲电源5的脉冲形成线6和半导体开关7；副边绕组3经过整流硅堆4相互并联，再连接至负载8，在负载8上获得高压方波输出。

实施例4

图4中，原边绕组1和副边绕组3通过磁芯2耦合，副边绕组高压端连接整流硅堆4，由此构成一个绕组单元W1。整台变压器由W1、W2···Wn共n个相同的绕组单元组成。每个单元的原边绕组1依次串联，再连接至初级脉冲电源5的电容6和半导体开关7；副边绕组3经过整流硅堆4独立连接到一个等离子体反应器8，获得大规模的等离子体放电。

实施例5

图5中，原边绕组1和副边绕组3通过磁芯2耦合，副边绕组高压端连接整流硅堆4，由此构成一个绕组单元W1。整台变压器由W1、W2···Wn共n个相同的绕组单元组成。每个单元的原边绕组1依次串联，再连接至初级脉冲电源5的电容6和半导体开关7；副边绕组3经过整流硅堆4相互并联，再连接至电动汽车锂电池组8，为其大功率恒流快速充电。

Claims (7)

1.一种基于多对绕组的脉冲变压器，其特征在于：包括n个原边绕组和n个副边绕组；所述的原边绕组通过磁芯与对应的副边绕组耦合；所述的n个原边绕组依次串联后连接初级电源，所述的副边绕组高压端串接有整流硅堆；

n个串接有整流硅堆的副边绕组各自连接对应的负载或并联后连接同一个负载，n为大于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的脉冲变压器，其特征在于：所述的磁芯采用软磁材料。

3.根据权利要求1所述的脉冲变压器，其特征在于：所述的磁芯的形状为环形、O形或E型。

4.根据权利要求1所述的脉冲变压器，其特征在于：所述的初级电源采用工频交流电源、谐振脉冲电源、方波脉冲电源、高频交流电源或三角波脉冲电源。

5.根据权利要求1所述的脉冲变压器，其特征在于：所述的负载采用高压电容、传输线、Blumlein线、等离子体反应器或锂电池。

6.根据权利要求1所述的脉冲变压器，其特征在于：所述的磁芯个数为多个，单个磁芯上绕置一对或多对原副边绕组。

7.根据权利要求1所述的脉冲变压器，其特征在于：每一对原副边绕组的匝数比均相同。

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