CN110323043A - 一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器，该变压器结构为两个U型铁氧体磁芯对接形成的磁芯单元，或者为多个磁芯单元串联形成的磁芯模块，又或者为多个磁芯模块并联形成的整体模块，其中磁芯模块中每两个磁芯单元之间存在一定的间隙。上述每个磁芯单元左右柱上按照上下位置分层绕制初次级绕组。本发明还对上述结构进行了高频变压器部件电位的处理、高压绝缘处理以及爬电距离的结构处理，降低了绝缘设计的难度，在保证绝缘强度的同时避免了全灌封所导致的热量无法散出的问题，整体仍然保持半通透性的结构，增加了散热性能。同时高压绕组灌封结构的设计减少了灌注量，减轻了高压高频变压器的重量和成本。

Description

一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构

技术领域

本发明属于电力电子变压器应用技术领域，涉及一种高压高频变压器，具体来说是一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构。

背景技术

高频变压器作为电力电子变换器中电压变换和电气隔离的关键部件。一般而言，传统的工频变压器由于频率较低，而使得变压器磁芯体积较大，存在功率密度较低、控制困难等问题，难以满足能量路由器中大容量直流源如光伏发电、蓄电池发电等的灵活接入，同时也难以满足小型化轻量化的需求。随着频率的提高，变压器的体积也随之变小，功率密度提高，且散热面积大幅度减小，损耗密度大导致温升过高，成为了高频变压器目前所面临的主要问题。

对于隔离电压达到10kV或更高水平的高频变压器来说，高频变压器和其周围模块间的爬电距离和空气间隙的考虑，高频变压器初次级绕组之间、铁芯和初次级绕组之间的绝缘强度等因素使得高频变压器的散热结构的设计和绝缘的设计变得更加困难。高频变压器的体积小使高电压等级高频变压器绝缘设计的难度加大。高电压等级高频变压器的设计通常采取全灌注的方式，来提供变压器内部铁芯、初级绕组和次级绕组之间的绝缘强度，对于功率等级比较高的高频变压器，全灌封的形式往往导致散热不足。现有的大多数的对于变压器的绝缘设计采取整体灌注或者采取变压器油的方式进行。但是全灌封设计结构对绝缘材料的耐热性能要求较高，常用于传统的工频变压器的绝缘设计。高频变压器的损耗密度大，全灌封的结构导致变压器的热量集中在内部，无法散出，有可能破坏绝缘，造成难以估量的损失。采用变压器油进行绝缘设计，一方面能够提供绝缘，另一方面可以增强散热，但在电力电子变压器中其结构的设计复杂，油不便于管理因此并不适用。所以如何对于高频变压器进行优化结构的设计，在不改变功率等级和绝缘水平的情况下减低损耗降低温升并做好绝缘设计是关键。

发明内容

本发明的目的是为了在保证高频变压器所需的额定功率、额定电压和电流、所需绝缘强度以及限制的温升条件下，提出了一种高压绝缘通透型高频变压器结构，增强散热效果，提高功率密度，增强绝缘强度。

本发明可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构，包括磁芯模块、初级绕组与次级绕组。

其中，磁芯模块具有由两个U型磁芯对接构成的磁芯单元。初级绕组2与次级绕组均等绕制在磁芯模块左右直边上安装的初级骨架与次级骨架上。以两个U型磁芯的连接面作为分界层，分界层上方与下方为同一类别绕组。

上述初级绕组与初级骨架间设置有聚四氟乙烯板；同时将所有初级绕组及初级骨架整体灌注。灌注成形后，通过聚四氟乙烯板将初级绕组和磁芯单元之间、初级绕组和次级绕组之间进行隔离；同时，次级绕组表面通过绝缘纸或绝缘胶带进行包裹。

本发明的优点在于：

1、本发明高压高频变压器结构，在高压绝缘处理的层面，既要考虑变压器内部磁芯和绕组的绝缘、绕组之间的绝缘，还需要考虑变压器和其他模块间的绝缘配合。本发明在高压侧绕组周围加上绝缘骨架，仅将高压侧绕组进行灌封。

2、本发明高压高频变压器结构，绕组结构舍弃了初次级内外侧绕制和交叉换位的方式，而是采取初次级绕组分开绕制，各自处于磁芯的同一侧位置，为半灌封绕组结构的设计提供了可行性。

3、本发明高压高频变压器结构，半灌封而非全灌封的形式使得高压高频变压器整体结构的通透性成为了可能，通过改变高压侧和低压侧绕组间隙以及磁芯之间的距离可以大幅度增强散热。同时避免了绝缘材料承受过高的热量，导致绝缘材料过热损坏。

4、本发明高压高频变压器结构，特殊处理高压高频变压器的损耗配比，绕组使用更少的匝数降低总绕组损耗，单匝绕组使用更多的股数来降低绕组损耗密度。

附图说明

图1为本发明高压高频变压器结构的单独磁芯结构示意图；

图2为本发明高压高频变压器结构的多磁芯串联结构示意图；

图3为本发明高压高频变压器结构的多磁芯单元串并联结构示意图；

图4为本发明高压高频变压器结构中初级绕组与初级骨架间隔离结构示意图；

图5为单独磁芯结构的初级绕组灌注后结构示意图；

图6为多磁芯串联结构的初级绕组灌注后结构示意图；

图7为多磁芯单元串并联结构的初级绕组灌注后结构示意图；

图8为本发明高压高频变压器结构中次级绕组和初级绕组、磁芯单元间隔离绝缘方式示意图。

图9为本发明高压高频变压器结构中初级绕组和次级绕组、磁芯单元间隔离绝缘方式示意图。

图中：

1-磁芯模块1 2-初级绕组 3-次级绕组

4-磁芯固定结构件 5-底板

具体实施方式

本发明可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构，如图1所示，包括磁芯模块1、初级绕组2与次级绕组3，如图1所示，同时还包括绕组的灌注结构与绝缘处理结构。

所述磁芯模块1具有由两个相同大小的U型磁芯101对接构成的单独式磁芯单元，并由磁芯固定结构件4固定。磁芯固定结构件4为铜皮，铜皮沿两个U型磁芯101外围包裹两个U型磁芯101，最终铜皮两端通过螺钉固定于底板5上，实现两个U型磁芯101与底板5三者间的固定，同时实现导热。其中，一侧螺钉设计引出线，引出线后续连接到次级绕组3端或者接地，降低磁芯模块1的电位。

根据高压高频变压器容量的需求，所述磁芯模块1也可设计为由m个单独式磁芯单元串联构成的串联式磁芯单元，m为整数，大于1，如图2所示；或由n组串联式磁芯单元构成的串并联式磁芯单元，n为整数，大于1，如图3所示。上述各单独式磁芯单元之间存在间隙；磁芯模块1的尺寸及单独式磁芯单元的数量，根据磁芯材料最大磁密的具体选取。

所述初级绕组2和次级绕组3材料为利兹线，利兹线的股数选取满足最大电密的需求以及满足磁芯窗口大小的要求。若磁芯模块1为单独式磁芯模块，此时，初级绕组2与次级绕组3绕制在单独式磁芯单元左右直边上；若磁芯模块1为串联式单独式磁芯单元，则初级绕组2与次级绕组3绕制在串联式单独式磁芯单元整体的左右直边上；若环形磁芯模块1为串并联式单独式磁芯单元，则其中每个串联式磁芯模块整体的左右直边上绕制初级绕组2与次级绕组3。上述初级绕组与次级绕组在磁芯单元(单独式磁芯单元、串联式磁芯单元)左右直边上均等布置，即单匝绕组利兹线的总股数为k，绕制在磁芯单元左右直边上的利兹线股数均为k/2。以两个U型磁芯101的连接面作为分界层，分界层上方绕制初级绕组2，下方绕制次级绕组3；初级绕组2与次级绕组3在分界层上下两侧位置可以交换，且初级绕组2和次级绕组3的相对位置一致，即分界层上方均为初级绕组2，下方均为次级绕组3；或者分界层上方均为次级绕组3，下方均为初级绕组2。

上述初级绕组2与次级绕组3分别绕制于环氧树脂材料制成的初级骨架与次级骨架上；初级骨架与次级骨架套于磁芯单元左右直边上，且内侧面与磁芯单元的直边间具有一定间隙；初级骨架与次级骨架周向具有环槽，用于绕制绕组。初级骨架与次级骨架具备一定的厚度和机械强度，次级绕组的骨架的厚度满足次级绕组和磁芯单元之间耐压的要求。通过初级骨架与次级骨架将初级绕组2、次级绕组3与磁芯单元101隔开，同时起到固定绕组的作用。

上述初级绕组2与初级骨架间还设置有聚四氟乙烯板，如图4所示，增加初级绕组2和其他部件(次级绕组3、磁芯单元)。同时通过环氧树脂AB胶将初级绕组2及初级骨架整体灌注；其中在单独式磁芯单元与串联式磁芯单元中，将所有初级绕组2及初级骨架整体灌注，如图5、图6所示；而在串并联式磁芯单元中，分别对其中各个串联式磁芯单元中所有初级绕组2及初级骨架整体灌注，如图7所示；灌注体的厚度满足初级绕组2与磁芯单元、初级绕组2与次级绕组3之间的耐压的要求，次级绕组3并不需要灌注处理。初级绕组2灌注成形后，还需通过聚四氟乙烯板将初级绕组2和磁芯单元之间、初级绕组2和次级绕组3之间进行隔离，如图8所示，进一步增加其绝缘强度的大小；同时，次级绕组3表面通过绝缘纸或绝缘胶带进行包裹，进一步增加次级绕组3和初级绕组2、磁芯单元之间的绝缘水平。上述灌注体上设计有出线孔，用于初级绕组2出线部分(从磁芯模块1开始延伸到出线端子部分)的引出。

所述的初级绕组2还需要进行以下绝缘处理，具体为：

(1)初级绕组2出线的两个端子和次级绕组3出线的两个端子分别在整体变压器的前后两侧；

(2)初级绕组2与次级绕组3出线的端子用扁铜带焊接而成，其上留有9mm的连接孔用于和其他部件连接；

(3)初级绕组2和次级绕组3出线的两个端子之间的距离满足爬电距离的要求；

(4)初级绕组2的出线部分采用绝缘套筒进行连接；

上述初级绕组2与次级绕组3出线部分的长度，以及低压侧(次级绕组3)和高压侧(初级绕组2)的出线端子必须考虑整体变压器中各金属部件间爬电距离。为了保证低压侧的出线端子和其他金属部件(高压侧绕组的出线端子、磁芯单元、固定底板4的螺钉等裸露金属部件)的爬电距离，增加低压侧绕组的出线部分长度，在端部用接线焊片焊接，用于和其他模块的连接。高压侧绕组的出线端子用绝缘套筒直接引出，同样端部焊接焊片。同时，初级绕组2与次级绕组3间的爬电距离的处理通过绝缘挡板的设计将初级绕组2与次级绕组3隔开，绝缘挡板为环氧树脂板，位置位于磁芯单元101的中部，且位于初级绕组2与次级绕组3之间，绝缘挡板的高度按照所需耐压需求设计；绝缘挡板在灌注前放置，灌注时与初级绕组2一同灌注。

本发明U型高频变压器由于只是对高压侧绕组进行灌封，而低压侧绕组并不灌封处理，因此设计初级绕组2与次级绕组3间具有一定距离，进而在初级绕组2与次级绕组3间形成10mm的风道，同时在低压侧绕组之间具有间隙，形成风道。

实施例：

以一台80kVA/20kHz高频变压器为例，按照以下步骤实现所述的散热增强型模块化高频变压器结构。

步骤1：磁芯材料和绕组材料的选取。

铁氧体的损耗密度随着温度的上升逐渐减小，在90～100摄氏度左右的时候，其损耗密度达到最低，且相比于纳米晶等材料较低。而在实际运行的过程中，铁芯的温度在100℃左右，刚好处于铁芯损耗密度的较低点。利兹线能够较好的消除高频情况下集肤效应的影响，而且利兹线表面的绝缘层能够提供一定的绝缘强度，扁铜带则是需要利用绝缘胶带来提供额外的绝缘，给绕线带来麻烦。

步骤2：绝缘骨架材料和灌注材料的选取。

为了满足绝缘的要求以及保证散热的需求，在选取绝缘材料的时候注重材料的介电强度和热容量的选取。较高的介电强度能够提供较高的绝缘水平，而较高的热容量则能够增强整体的散热能力。同时因为变压器在运行过程中温升较高，还需要绝缘材料具有较强的耐热等级，避免因为温升过高导致绝缘被破坏。根据表1变压器骨架材料的对比，PTFE(聚四氟乙烯)无论是在介电强度、热容量，还是在耐热等级上面均比PC材料和ABS材料较优，最终选取PTFE作为变压器绕组绝缘的骨架材料。根据表2中三种不同高频变压器灌注胶的对比，3M系列环氧树脂和硅胶的电气强度均满足需求，云母胶的电气强度较小，不予考虑；但是作为灌注材料的散热能力方面来考虑，环氧树脂提供了高的热容量便于将绕组中的热量导出，最终选取环氧树脂为变压器灌注材料。

表1变压器骨架材料候选比较

表2变压器灌注绝缘胶候选材料比较

步骤3：磁芯结构和绕组结构的设计

由两个相同大小的U型磁芯对接形成一副环形磁芯101，然后通过该环形磁芯的串联形成磁芯单元；通过磁芯单元的并联形成磁芯模块。同时每两个磁芯单元之间存在一定的气隙，利用结构部件固定形成一个整体，同时通过固定螺帽通过连接线引出便于外接，铁芯外引出线结构如图2所示。该铁芯模块的尺寸如图3所示，主要尺寸参数如表3所示。

表3 U型铁芯(尺寸的单位为mm)及H40材料的主要尺寸参数

符号	意义	值	单位
				V<sub>e</sub>	铁芯等效体积	593600	mm
l<sub>e</sub>	铁芯等效长度	504	mm
				A<sub>e</sub>	铁芯等效横截界面积	1160	mm
B<sub>s</sub>	饱和磁通(100℃，100kHz)	0.39	T

20kHz情况下铜的集肤深度大小为：

式中，ρ_w为铜的电导率，f为频率，μ为铜的磁导率。

本实施例选取的绕组为利兹线，其具体的型号选取如表4所示，其中利兹线的直径为0.1mm，小于该频率下集肤深度的大小，可以大大的降低集肤效应对绕组损耗的影响。

表4利兹线参数

本实施例中初次级绕组采取上下分层绕制的方式，首先用绝缘骨架将初次级绕组上下分隔开，初次级绕组之间存在10mm的间隙，作为散热风道。高压侧绕组在磁芯上半部分，首先通过聚四氟乙烯板将该侧绕组隔绝磁芯和次级绕组，然后用环氧树脂将高压绕组进行灌注，形成密闭结构，进一步保证高压绕组和其他部分的耐压需求。次级绕组则采取通透性的设计，磁芯上相邻次级绕组之间留出10mm的风道，便于强迫风冷过程中减小风阻，增强冷却效果。各个环形磁芯之间留有8mm的间隙，增加散热面积。

步骤4：铁芯电位的处理

铁芯电位的高低直接影响着初次级绕组和铁芯之间所需绝缘强度的大小，传统的设计通常采取铁芯电位悬空的方式，铁芯的电位难以得知，初次级绕组和铁芯之间的绝缘的设计都必须按照高电位的方式进行设计。在本实施例中，采取将铁芯和低压侧等电位的方式或者直接将铁芯进行接地的方式进行设计，将铁芯通过结构部件与变压器底板固定，然后通过导线引出用于外接接地或者与低压侧短接，具体的结构图。

步骤5：绝缘的设计和处理。

通过铁芯、初次级绕组的结构设计，并通过对这三个部分的电位处理，绝缘设计的难度大幅度降低，高频变压器通透性结构的设计成为了可能。其中初次级绕组之间、初级绕组和铁芯之间、次级绕组和铁芯之间的电压等级如表5所示。

表5变压器各部分耐压等级

	初级侧到次级侧	初级侧到磁芯	次级侧到磁芯
				耐压等级	30kV	30kV	720V

①初级绕组绝缘设计

如图1所示，初级绕组的绝缘设计包括四层结构：第一层是通过绝缘骨架环氧树脂板将初级绕组和磁芯隔开，同时起到固定绕组的作用；第二层则是通过聚四氟乙烯板将初级绕组裸露部分进行覆盖；第三层绝缘结构则是初级绕组整体灌封结构的设计，将初级绕组放置在模具中，用环氧树脂AB胶通过抽真空的方式进行灌注处理；第四层则是在灌注体的表面和磁芯之间以及和次级绕组之间再次通过聚四氟乙烯板进行隔离，进一步增加其绝缘强度的大小。

②次级绕组绝缘设计

次级绕组的绝缘仅包括两层结构：第一层与初级绕组绝缘设计一致，通过绝缘骨架环氧树脂板将初级绕组和磁芯隔开；第二层则是在初级绕组表面通过绝缘纸或绝缘胶带将裸露的线圈进行包裹。

步骤6：爬电距离的设计

在低压和高压的出线端口必须考虑变压器各金属部件间爬电距离。为了低压侧绕组的出现端子的爬电距离，增加低压侧绕组的出线长度，在端部用接线焊片焊接用于和其他模块的连接。高压绕组的出线用绝缘套筒直接引出，同样端部焊接焊片。初次级绕组间的爬电距离的处理通过绝缘挡板的设计将初次级绕组隔开，挡板的高度按照所需耐压需求设计。

上述步骤和关键参数的确定具有以下特征：

a、对耐压影响最大的绝缘材料的选取，不仅在电气强度上满足耐压的需求，还需要满足耐热等级高以及热导率高的要求。环氧树脂聚四氟乙烯耐热等级高和热导率高，能够在耐受变压器满载运行时的温度大小，同时较高的热导率能够将高压侧绕组的热量传导到表面再通过对流将热量散出。

b、在绕组结构的设计层面上，与传统的设计相比，初次绕组和次级绕组不能交叉换位绕制，如果交叉换位则需要进行整体灌注来达到绝缘的要求。此设计采取上下分层绕制的方式提供了散热的通道，同时使半灌封的设计成为了可能。

c、在灌注结构的设计层面上着重考虑了散热，绕组分层绕制的结构和铁芯接地的方式，降低了低压侧和铁芯之间的耐压等级，仅需要将高压侧绕组灌注来达到高压侧绕组和低压侧绕组、铁芯之间的耐压。这样的结构设计增加了低压侧绕组和空气的接触面积，增强了强迫风冷的散热。

Claims (9)

1.一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构，包括磁芯模块、初级绕组与次级绕组；其特征在于：磁芯模块具有由两个U型磁芯对接构成的磁芯单元；初级绕组2与次级绕组均等绕制在磁芯模块左右直边上安装的初级骨架与次级骨架上；以两个U型磁芯的连接面作为分界层，分界层上方与下方为同一类别绕组；

上述初级绕组和初级骨架之间设置有聚四氟乙烯板；同时将所有初级绕组及初级骨架整体灌注；灌注成形后，通过聚四氟乙烯板将初级绕组和磁芯单元之间、初级绕组和次级绕组之间进行隔离；同时，次级绕组表面通过绝缘纸或绝缘胶带进行包裹。

2.如权利要求1所述一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构，其特征在于：磁芯模块由磁芯固定结构件固定于底板；磁芯固定结构件为铜皮，由铜皮包裹两个U型磁芯，铜皮两端通过螺钉固定于底板。

3.如权利要求1所述一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构，其特征在于：初级骨架与次级骨架内侧面与磁芯单元间具有一定间隙。

4.如权利要求1所述一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构，其特征在于：所述的初级和次级绕组还需要进行下述绝缘处理：

a、初级绕组出线的两个端子和次级绕组出线的两个端子分别在整体变压器的前后两侧；

b、初级绕组与次级绕组出线的端子用扁铜带焊接而成，其上留有连接孔用于和其他部件连接；

c、初级绕组和次级绕组出线的两个端子之间的距离满足爬电距离的要求；

d、初级绕组的出线部分用绝缘套筒进行包裹后并联。

5.如权利要求1所属一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构，其特征在于：初级绕组与次级绕组间具有风道，同时在左右直边的次级绕组之间具有间隙，形成风道。

6.如权利要求1所属一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构，其特征在于：增加次级绕组的出线部分长度，在端部用接线焊片焊接；初级绕组的出线端子用绝缘套筒直接引出，同样端部焊接焊片。

7.如权利要求1所属一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构，其特征在于：初级绕组与次级绕组间通过绝缘挡板隔开，绝缘挡板在灌注前放置，灌注时与初级绕组一同灌注。

8.如权利要求1～7所述一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构，其特征在于：磁芯模块为由多个磁芯单元串联而成的串联式结构。

9.如权利要求1～7所属一种可系列化的半灌封通透型高压高频变压器结构，其特征在于：磁芯模块为多个磁芯单元串联后再并联构成的串并联式结构。