CN109473263B - 一种高频高压变压器模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频高压变压器模块，包括：变压器和整流滤波器；所述变压器，包括：U型磁芯、变压器骨架、初级绕组和次级绕组；所述变压器骨架包括：中空的两个内骨架和两个外骨架；两个内骨架分别包裹U型磁芯的两个竖直部；两个外骨架分别包裹两个内骨架；两个内骨架分别绕制有初级绕组；两个外骨架分别绕制有次级绕组；所述次级绕组连接至整流滤波器。本发明的高频高压变压器模块体积小，同时分布电容小，损耗低。

Description

一种高频高压变压器模块
技术领域
本发明涉及脉冲功率源技术领域，具体涉及一种高频高压变压器模块。
背景技术
高频高压变压器模块在高频高压电源系统当中，占据着重要的地位，是整个系统的关键组成部分，工作过程为先通过逆变后经升压变压器整流输出，高频高压变压器模块起绝缘隔离和升压的作用。
随着高频高压变压器模块的工作电压不断提高，要求变压器的升压比不断增加，变压器次级绕组的匝比也不断增加，匝数比高、电压高使绝缘难于处理，漏感和分布电容等寄生参数给前级功率开关管造成浪涌电压和浪涌电流，使电压电流波形畸变，并增加开关损耗。同时工作电压的提高，使得输出整流滤波的硅堆和电容体积大幅增加，进而使得电源的体积大幅增加，影响电源的小型化、紧凑型结构设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种高频高压变压器模块，该高频高压变压器模块体积小，同时分布电容小，损耗低。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高频高压变压器模块，包括：变压器和整流滤波器；所述变压器，包括：U型磁芯、变压器骨架、初级绕组和次级绕组；所述变压器骨架包括：中空的两个内骨架和两个外骨架；两个内骨架分别包裹U型磁芯的两个竖直部；两个外骨架分别包裹两个内骨架；两个内骨架分别绕制有初级绕组；两个外骨架分别绕制有次级绕组；所述次级绕组连接至整流滤波器。
进一步地，所述高频高压变压器模块，包括两个相同的U型磁芯；两个U型磁芯的侧面紧贴重叠。
进一步地，两个内骨架上绕制的初级绕组并联。
进一步地，两个外骨架上绕制的次级绕组串联。
进一步地，所述整流滤波器包括N个串联的整流滤波电路；每个所述整流滤波电路包括：相连接的整流电路和滤波电路；所述整流电路为4只高频高压硅堆组成的全桥整流电路；所述滤波电路为高频高压电容。
进一步地，每个外骨架上绕制有N个次级绕组，且两个外骨架的同一水平高度上的两个次级绕组串联后，连接至所述整流滤波器。
进一步地，所述高频高压变压器模块，还包括壳体和支撑体；所述壳体包括盖体和底板；所述底板和盖体连接形成封闭腔体；所述变压器、整流滤波器和支撑体设置在封闭腔体中；所述U型磁芯和支撑体立式固定于底板上；所述整流滤波器固定在支撑体上；所述封闭腔体内填充绝缘材料。
进一步地，所述盖体上设有低压输入端和高压输出端；所述低压输入端连接初级绕组；所述高压输出端连接整流滤波器的输出端。
进一步地，所述初级绕组和次级绕组之间填充有绝缘材料。
进一步地，所述绝缘材料为有机硅凝胶。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的高频高压变压器具有很好的性能：工作频率20kHz，输入电压300V，输出电压80kV,输出电流0.4A，变压器分布电容小，最大功率32kW，最大尺寸为240mm*220mm*280mm。该高频高压变压器模块体积小，同时分布电容小，损耗低。
2、本发明的高频高压变压器采用有机硅凝胶进行了整体灌封，提高其绝缘强度和机械强度，使初级绕组和次级绕组之间的绝缘距离可适当减小，使得变压器耦合系数得到提高，减小漏感。
3、本发明的高频高压变压器，两个内骨架上绕制的初级绕组并联，可以增加绕组耦合系数、截面积和通流能力，减小发热和漏感。两个外骨架上绕制的次级绕组串联，提高耦合系数，减小绕组的分布电容。
4、本发明的高频高压变压器包括两个相同的U型磁芯；两个U型磁芯的侧面紧贴重叠，使得窗口面积大，从而使绕组导线面积可适当增大，减小导线损耗和温升。
5、本发明的高频高压变压器在每个内骨架上绕制一个初级绕组，而每个外骨架上绕制有N个次级绕组，使得变压器的次级绕组分布电容减小，提高了能量传输效率，而每个次级绕组的输出电压为高压输出端的输出电压的1/N，降低了整流滤波电路元件的耐压要求，从而可以减小整流滤波电路的硅堆和电容的体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的高频高压变压器模块正视示意图。
图2为本发明实施例1的高频高压变压器模块侧视示意图
图3为本发明实施例1的高频高压变压器模块电路图。
附图标记：1-壳体，11-盖体，12-底板，2-变压器，21-U型磁芯，22-变压器骨架，221-内骨架，222-外骨架，3-整流滤波器，4-支撑体，51-低压输入端，52-高压输出端。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种高频高压变压器模块，如图1-2所示，包括：变压器2和整流滤波器3；所述变压器2，包括：U型磁芯21、变压器骨架22、初级绕组和次级绕组；所述变压器骨架22包括：中空的两个内骨架221和两个外骨架222；两个内骨架221分别包裹U型磁芯21的两个竖直部；两个外骨架222分别包裹两个内骨架221；两个内骨架221分别绕制有初级绕组；两个外骨架222分别绕制有次级绕组；所述次级绕组连接整流滤波器3。优选地，所述高频高压变压器模块，包括：两个相同的U型磁芯21；两个U型磁芯21的侧面紧贴重叠，使得窗口面积大，从而使绕组导线面积可适当增大，减小导线损耗和温升。
进一步地，所述高频高压变压器模块，还包括壳体1和支撑体4；所述壳体1包括盖体11和底板12；所述底板12和盖体11连接形成封闭腔体；所述变压器2、整流滤波器3和支撑体4设置在封闭腔体中；所述U型磁芯21和支撑体4立式固定于底板12上；所述整流滤波器3固定在支撑体4上；所述封闭腔体内填充绝缘材料。优选地，所述壳体1和变压器骨架22的材料为绝缘材料，包括但不限于高分子聚乙烯、聚四氟乙烯，有机玻璃，尼龙，可以采用整体加工工艺制成，可有效避免拼接带来的沿绝缘表面爬电现象，有利于减小高压脉冲变压器的体积。进一步地，所述外骨架222的外表面具有环形槽；所述次级绕组绕制在环形槽内。所述U型磁芯21的材料为非晶材料。
进一步地，所述内骨架221与外骨架222为同轴结构，内骨架221绕制初级绕组在内，外骨架222绕制次级绕组在外。所述初级绕组采用多线单层并绕。进一步地，两个内骨架221上绕制的初级绕组并联，可以增加绕组耦合系数、截面积和通流能力，减小发热和漏感。所述次级绕组采用三层绝缘漆包线分段绕制。进一步地，两个外骨架222上绕制的次级绕组串联，提高耦合系数，减小绕组的分布电容。优选地，每个外骨架222上绕制有N个次级绕组，且两个外骨架222的同一水平高度上的两个次级绕组串联后，连接至所述整流滤波器3。每个内骨架221上绕制一个初级绕组，而每个外骨架222上绕制有N个次级绕组，使得变压器的次级绕组分布电容减小，提高了能量传输效率，而每个次级绕组的输出电压为高压输出端52的输出电压的1/N，降低了整流滤波电路元件的耐压要求，从而可以减小整流滤波电路的硅堆和电容的体积。优选地，N＝6。
进一步地，所述初级绕组和次级绕组之间填充有绝缘材料。所述绝缘材料为有机硅凝胶,优选为GN521。有机硅凝胶进行真空灌封固化后，绝缘强度很高，使初级绕组和次级绕组之间的绝缘距离可适当减小，使得变压器耦合系数得到提高，减小漏感。
进一步地，如图3所示，所述整流滤波器3包括N个串联的整流滤波电路；每个所述整流滤波电路包括：相连接的整流电路和滤波电路；所述整流电路为4只高频高压硅堆组成的全桥整流电路；所述全桥整流电路对次级绕组的输出电压进行全波整流，将次级绕组输出的高频交流电压转换为脉冲直流电压；所述滤波电路为高频高压电容，对所述全桥整流电路输出的脉冲直流电压进行滤波，滤除其中的高频交流电压分量，然后经过N个串联的整流滤波电路处理后输出。进一步地，所述盖体11上设有低压输入端51和高压输出端52；所述低压输入端51连接初级绕组；所述高压输出端52连接整流滤波器3的输出端。
通过本发明实现的高频高压变压器模块具有很好的性能：工作频率20kHz，输入电压300V，输出电压80kV,输出电流0.4A，分布电容小，最大功率32kW，最大尺寸为240mm*220mm*280mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高频高压变压器模块，其特征在于，包括：变压器(2)和整流滤波器(3)；所述变压器(2)，包括：两个相同的U型磁芯(21)、变压器骨架(22)、初级绕组和次级绕组；所述变压器骨架(22)包括：中空的两个内骨架(221)和两个外骨架(222)；两个内骨架(221)分别包裹U型磁芯(21)的两个竖直部；两个外骨架(222)分别包裹两个内骨架(221)；两个内骨架(221)分别绕制有初级绕组；两个外骨架(222)分别绕制有次级绕组；所述次级绕组连接至整流滤波器(3)；两个U型磁芯(21)的侧面紧贴重叠；每个外骨架(222)上绕制有N个次级绕组，以降低整流滤波电路元件的耐压要求，减小整流滤波电路的硅堆和电容的体积；两个内骨架(221)上绕制的初级绕组并联；两个外骨架(222)上绕制的次级绕组串联所述整流滤波器(3)包括N个串联的整流滤波电路；每个所述整流滤波电路包括：相连接的整流电路和滤波电路；所述整流电路为4只高频高压硅堆组成的全桥整流电路；所述滤波电路为高频高压电容；两个外骨架(222)的同一水平高度上的两个次级绕组串联后，连接至所述整流滤波器(3)；初级绕组并联，次级绕组串联后分别进行全桥整流滤波电路后，输出再依次串联后输出，实现电流不变、电压N倍升压的效果，同时采取该方式整流硅堆、和滤波电容要求相较于次级绕组串联后采用单整流桥整流和滤波电容方式，对整流硅堆、和滤波电容的额定耐压值降为1/N，同时整流硅堆、和滤波电容体积大幅减小，因此变压器整体封装后的体积也大幅减小，结构更加紧凑，分布电容更小，适用于大功率高压变压器。
2.如权利要求1所述的高频高压变压器模块，其特征在于，还包括壳体(1)和支撑体(4)；所述壳体(1)包括盖体(11)和底板(12)；所述底板(12)和盖体(11)连接形成封闭腔体；所述变压器(2)、整流滤波器(3)和支撑体(4)设置在封闭腔体中；所述U型磁芯(21)和支撑体(4)立式固定于底板(12)上；所述整流滤波器(3)固定在支撑体(4)上；所述封闭腔体内填充绝缘材料。
3.如权利要求2所述的高频高压变压器模块，其特征在于，所述盖体(11)上设有低压输入端(51)和高压输出端(52)；所述低压输入端(51)连接初级绕组；所述高压输出端(52)连接整流滤波器(3)的输出端。
4.如权利要求1所述的高频高压变压器模块，其特征在于，所述初级绕组和次级绕组之间填充有绝缘材料。
5.如权利要求2-4任一项所述的高频高压变压器模块，其特征在于，所述绝缘材料为有机硅凝胶。
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