CN109448965A - 高频高压变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子设备技术领域。其目的是提供一种高频高压变压器，具有耐受电压高、耐热等级高、功率密度大、环境适应性强的特点，且体积小、重量轻。一种高频高压变压器，用于原边电源为几千赫兹或几十千赫兹的方波电源上，包括：磁芯、高压侧线圈、低压侧线圈，所述高压侧线圈和低压侧线圈分别套设在所述磁芯上，并且在不高于100Pa的压力下用环氧树脂将所述磁芯、高压侧线圈和低压侧线圈浇铸成一体形成环氧树脂隔离层，所述环氧树脂在100℃时的线膨胀系数为2.5×10‑5K‑1～3.2×10‑5K‑1，所述磁芯为铁氧体磁芯、纳米晶磁芯或非晶磁芯，所述高压侧线圈和低压侧线圈均是采用利兹线绕制。

Description

高频高压变压器
技术领域
本发明涉及电力电子设备技术领域，具体来说，是涉及一种一体式高频高压电力电子隔离变压器，用于交直流混合配网等技术中DC/DC电压变换系统，作为初、次之间的DC/DC电压变换和高强度的绝缘隔离。
背景技术
随着电力电子技术和电力系统交直流混合配网技术的发展，DC/DC电压变换电路中需要用到一种特殊的隔离变压器。其一，变压器原边接在10KV或35KV的高压侧，副边则接在低压侧，要求原、副边线圈之间的绝缘能够承受35～100KV的耐压；其二，变压器原边输入的是频率为几千到几十千赫兹的方波，功率为几十到几百千瓦。其三，因变压器的工作环境既有湿热环境，也有盐雾环境，所以要求变压器整体包封。
常见的电力变压器虽然原、副边线圈之间的绝缘能够满足35～100KV耐压，但只能工作在工频电源中。另外，干式电力变压器中，铁芯不用环氧树脂浇铸，只有线圈是用环氧树脂浇铸的，目前所使用的环氧树脂的特性是与线圈中的铜或铝导体相匹配的，与形成铁芯的铁氧体、纳米晶的热膨胀特性并不匹配。如果将磁芯和线圈整体浇铸，环氧树脂容易开裂，尤其是在高低温循环和低温储存之后。
常见的高频变压器虽然能频率为几千到几十千赫兹的方波的工况，但其原、副边之间的耐压通常只有几千伏，且其功率只能做到几千瓦。有的虽然进行了灌封，但其耐受温度只有几十度，远远达不到电力系统交直流混合配网技术所要求的H级耐热等级。其灌封胶的强度也不能满足几十到几百千瓦变压器的强度要求。
可见，现有技术不能满足电力系统交直流混合配网技术中DC/DC电压变换系统对于隔离变压器的要求。因此，急需要研发出一种能够满足电力系统交直流混合配网技术中DC/DC电压变换系统对于隔离变压器的要求的高频高压变压器。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频高压变压器，具有耐受电压高、耐热等级高、功率密度大、环境适应性强的特点，且体积小、重量轻。
本发明的目的是这样实现的：
一种高频高压变压器，用于原边电源为几千赫兹或几十千赫兹的方波电源上，包括：磁芯、高压侧线圈、低压侧线圈，所述高压侧线圈和低压侧线圈分别套设在所述磁芯上，并且在不高于100Pa的压力下用环氧树脂将所述磁芯、高压侧线圈和低压侧线圈浇铸成一体形成环氧树脂隔离层，所述环氧树脂在100℃时的线膨胀系数为2.5×10-5K-1～3.2×10- 5K-1，所述磁芯为铁氧体磁芯、纳米晶磁芯或非晶磁芯，所述高压侧线圈和低压侧线圈均是采用利兹线绕制。
在对高频高压变压器进行设计时，根据应用条件，结合变压器电气参数和耐受电压，设计变压器的温升和结构。最后再结合磁芯和环氧树脂的特性，根据变压器的耐受电压，按照20kV/mm设计厚度填充环氧树脂形成环氧树脂隔离层，以保证高频变压器满足所需的耐受电压。氧树脂隔离层的厚度是指环氧树脂隔离层的最外边缘至所述磁芯的最短直线距离。具体各参数的设计和计算均可以采用现有的设计和计算方法来实现，在此不再赘述。
其中，所述环氧树脂的调配和浇铸均是在不高于100Pa的压力下进行的，调配而成的环氧树脂在100℃时的线膨胀系数为2.5×10-5K-1～3.2×10-5K-1。
优选地，当变压器的短路阻抗偏小时，所述高压侧线圈或低压侧线圈上增设有铁硅或铁硅铝材质的磁环，从而可以提供等效短路阻抗。所述磁环与所述磁芯、高压侧线圈和低压侧线圈通过所述环氧树脂浇铸成一体。
其中，所述磁芯可以为“UU”型磁芯柱，所述高压侧线圈和低压侧线圈采用独立式分别设置在所述“UU”型磁芯柱的两外侧的磁芯柱上。或者地，当所述磁芯可以为“UU”型磁芯柱时，在所述“UU”型磁芯柱的两外侧的磁芯柱上也可以分别采用同心式绕设有高压侧线圈和低压侧线圈，两高压侧线圈串联，两低压侧线圈串联。进一步地，所述磁芯的接缝处可以设有气隙。
其中，所述磁芯也可以为“EE”型磁芯柱，所述高压侧线圈和低压侧线圈采用同心式绕设在所述“EE”型磁芯柱的中间磁芯柱上。进一步地，所述磁芯的接缝处可以设有气隙。
其中，所述磁芯也可以为环形磁芯柱。
如上所述的高频高压变压器，所述高压侧线圈和低压侧线圈均采用利兹线绕制。
采用上述技术方案的高频高压变压器，具有耐受电压高、耐热等级高、功率密度大、环境适应性强的特点，且体积小、重量轻。通过高温(180℃)、低温(-40℃)，急冷(每分钟温度降低1℃)、急热(每分钟温度升高1℃)等环境条件反复试验，无论是高低温存储环境下，还是变压器满载、轻载(高温、低温)循环过程中，都不会出现开裂现象。
附图说明
通过以下本发明的实施例并结合附图的描述，示出本发明的其它优点和特征，该实施例以实例的形式给出，但并不限于此，其中：
图1为本发明高频高压变压器的第一实施例的结构示意图。
图2为本发明高频高压变压器的第二实施例的结构示意图。
图3为本发明高频高压变压器的第三实施例的结构示意图。
图4为本发明高频高压变压器的第四实施例的结构示意图。
图5为本发明高频高压变压器的第五实施例的结构示意图。
图6为本发明高频高压变压器的第六实施例的结构示意图。
图7为本发明高频高压变压器的第七实施例的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示的高频高压变压器，用于原边电源为几千赫兹或几十千赫兹的方波电源上，包括：磁芯1、高压侧线圈2、低压侧线圈3，本实施例中磁芯1为“EE”型磁芯柱，用利兹线在“EE”型磁芯柱1的中间磁芯柱10上采用同心式绕法绕设有高压侧线圈2和低压侧线圈3，在不高于100Pa的压力下调配环氧树脂，环氧树脂在100℃时的线膨胀系数为2.5×10-5K-1～3.2×10-5K-1。保持在不高于100Pa的状态下用调配好的环氧树脂将磁芯1、高压侧线圈2和低压侧线圈3浇铸成一体形成环氧树脂隔离层4，磁芯1为铁氧体磁芯、纳米晶磁芯或非晶磁芯。磁芯1的接缝处设有气隙。
当变压器的短路阻抗偏小时，高压侧线圈2或低压侧线圈3上可以增设有铁硅或铁硅铝材质的磁环，从而可以提供等效短路阻抗。磁环通过环氧树脂与磁芯1、高压侧线圈2和低压侧线圈3浇铸成一体。
设计时，根据应用条件，结合变压器电气参数和耐受电压，设计变压器的温升和结构。最后再结合磁芯和环氧树脂的特性，根据变压器的耐受电压，按照20kV/mm设计环氧树脂隔离层4的填充厚度，以保证高频变压器满足所需的耐受电压。具体各参数的设计和计算均可以采用现有的设计和计算方法来实现，在此不再赘述。
图2所示的高频高压变压器，包括：磁芯1、高压侧线圈2、低压侧线圈3，其结构和线圈绕法同图1中所示的第一实施例，不同之处在于，本实施例中磁芯1为圆角“EE”型磁芯柱，是纳米晶磁芯或非晶磁芯。
图3所示的高频高压变压器，包括：磁芯1、高压侧线圈2、低压侧线圈3，本实施例中磁芯1为“UU”型磁芯柱，用利兹线在“UU”型磁芯柱的外侧磁芯柱11和外侧磁芯柱12上分别采用同心式绕法绕设有高压侧线圈2和低压侧线圈3，两高压侧线圈3串联，两低压侧线圈3串联。在不高于100Pa的压力下调配环氧树脂，环氧树脂在100℃时的线膨胀系数为2.5×10-5K-1～3.2×10-5K-1。保持在不高于100Pa的状态下用调配好的环氧树脂将磁芯1、高压侧线圈2和低压侧线圈3浇铸成一体形成环氧树脂隔离层4，磁芯1为铁氧体磁芯、纳米晶磁芯或非晶磁芯。磁芯1的接缝处设有气隙。
当变压器的短路阻抗偏小时，高压侧线圈2或低压侧线圈3上可以增设有铁硅或铁硅铝材质的磁环，从而可以提供等效短路阻抗。磁环通过环氧树脂与磁芯1、高压侧线圈2和低压侧线圈3浇铸成一体。
图4所示的高频高压变压器，包括：磁芯1、高压侧线圈2、低压侧线圈3，其结构和线圈绕法同图3中所示的第三实施例，不同之处在于，本实施例中磁芯1为圆角“UU”型磁芯柱，是纳米晶磁芯或非晶磁芯。
图5所示的高频高压变压器，包括：磁芯1、高压侧线圈2、低压侧线圈3，本实施例中磁芯1为“UU”型磁芯柱，用利兹线在“UU”型磁芯柱的外侧磁芯柱11和外侧磁芯柱12上采用独立式绕法分别绕设有高压侧线圈2和低压侧线圈3。在不高于100Pa的压力下调配环氧树脂，环氧树脂在100℃时的线膨胀系数为2.5×10-5K-1～3.2×10-5K-1。保持在不高于100Pa的状态下用调配好的环氧树脂将磁芯1、高压侧线圈2和低压侧线圈3浇铸成一体形成环氧树脂隔离层4，磁芯1为铁氧体磁芯、纳米晶磁芯或非晶磁芯。磁芯1的接缝处设有气隙。
当变压器的短路阻抗偏小时，高压侧线圈2或低压侧线圈3上可以增设有铁硅或铁硅铝材质的磁环，从而可以提供等效短路阻抗。磁环通过环氧树脂与磁芯1、高压侧线圈2和低压侧线圈3浇铸成一体。
图6所示的高频高压变压器，包括：磁芯1、高压侧线圈2、低压侧线圈3，其结构和线圈绕法同图5中所示的第五实施例，不同之处在于，本实施例中磁芯1为圆角“UU”型磁芯柱，是纳米晶磁芯或非晶磁芯。
图7所示的高频高压变压器，包括：磁芯1、高压侧线圈2、低压侧线圈3，本实施例中磁芯1为环形磁芯柱，用利兹线在环形磁芯柱上采用独立式绕法分别绕设有高压侧线圈2和低压侧线圈3。在不高于100Pa的压力下调配环氧树脂，环氧树脂在100℃时的线膨胀系数为2.5×10-5K-1～3.2×10-5K-1。保持在不高于100Pa的状态下用调配好的环氧树脂将磁芯1、高压侧线圈2和低压侧线圈3浇铸成一体形成环氧树脂隔离层4，磁芯1为铁氧体磁芯、纳米晶磁芯或非晶磁芯。
当变压器的短路阻抗偏小时，高压侧线圈2或低压侧线圈3上可以增设有铁硅或铁硅铝材质的磁环，从而可以提供等效短路阻抗。磁环通过环氧树脂与磁芯1、高压侧线圈2和低压侧线圈3浇铸成一体。
虽然本发明已依据较佳实施例在上文中加以说明，但这并不表示本发明的范围只局限于上述的结构，只要本技术领域的技术人员在阅读上述的说明后可很容易地发展出的等效替代结构，在不脱离本发明之精神与范围下所作之均等变化与修饰，皆应涵盖于本发明专利范围之内。

Claims (9)

1.一种高频高压变压器，用于原边电源为几千赫兹或几十千赫兹的方波电源上，其特征在于，包括：磁芯、高压侧线圈、低压侧线圈，所述高压侧线圈和低压侧线圈分别套设在所述磁芯上，并且在不高于100Pa的压力下用环氧树脂将所述磁芯、高压侧线圈和低压侧线圈浇铸成一体形成环氧树脂隔离层，所述环氧树脂在100℃时的线膨胀系数为2.5×10-5K-1～3.2×10-5K-1，所述磁芯为铁氧体磁芯、纳米晶磁芯或非晶磁芯，所述高压侧线圈和低压侧线圈均是采用利兹线绕制。
2.如权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于：所述环氧树脂的调配和浇铸均是在不高于100Pa的压力下进行的，调配而成的环氧树脂在100℃时的线膨胀系数为2.5×10- 5K-1～3.2×10-5K-1。
3.如权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于：在浇铸环氧树脂时，所述环氧树脂隔离层的设计厚度是按照20kV/mm根据变压器的耐受电压确定的，所述环氧树脂隔离层的厚度是指环氧树脂隔离层的最外边缘至所述磁芯的最短直线距离。
4.如权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于：所述高压侧线圈或低压侧线圈上增设有铁硅或铁硅铝材质的磁环，所述磁环与所述磁芯、高压侧线圈和低压侧线圈通过所述环氧树脂浇铸成一体。
5.如权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于：所述磁芯为“UU”型磁芯柱，所述高压侧线圈和低压侧线圈采用独立式分别设置在所述“UU”型磁芯柱的两外侧的磁芯柱上。
6.如权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于：所述磁芯为“UU”型磁芯柱，所述“UU”型磁芯柱的两外侧的磁芯柱上分别采用同心式绕设有高压侧线圈和低压侧线圈，两高压侧线圈串联，两低压侧线圈串联。
7.如权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于：所述磁芯为“EE”型磁芯柱，所述高压侧线圈和低压侧线圈采用同心式绕设在所述“EE”型磁芯柱的中间磁芯柱上。
8.如权利要求5-7所述的高频高压变压器，其特征在于：所述磁芯的接缝处设有气隙。
9.如权利要求1所述的高频高压变压器，其特征在于：所述磁芯为环形磁芯柱。
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