CN112953248B - 一种升压变压器、升压方法及升压电路 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种升压变压器，包括：骨架，包括多个绝缘材料盘；变压器阵列组，由多个相同结构的变压器单元构成，每个变压器单元包括多个磁环及原副边绕组导线，多个磁环周向均匀固设于两个绝缘材料盘间，原副边绕组导线由多圈导线相迭后穿过多个磁环绕制构成；其中，该原副边绕组导线包括原边绕组导线及副边绕组导线，每个变压器单元的原边绕组导线间并联，并分别与一低功率交流射频电源相连；每个变压器单元的副边绕组导线间串联，并与负载电路相连，每个副边绕组导线用于通过互感磁耦合作用将低功率交流射频电源进行升压后输出高压的交流电源。本公开还提供了一种升压方法及升压电路。

Description

一种升压变压器、升压方法及升压电路
技术领域
本公开涉及升压变压器及等离子体传感器技术领域，具体涉及一种升压变压器、升压方法及升压电路。
背景技术
针对目前等离子体学科的迅速发展，其基于气体放电理论和气体动力学为原理的传感器也是如今人们关注的热点；对于依托上述原理的仪器或传感器，若想在空气中将电极间隙击穿且在较低的电流下稳定工作，需要kV级别的电压施加在电极两端。同时当等离子体传感器系统在射频下工作时，所需的变压器需同时满足高频响、低功率和在kV级别电压下工作的能力。
目前一般情况下，低功率、射频常见于电子器件和信号处理等方面，这些场合常使用集成变压器或通讯变压器，一般应用于放大功率而非追求kV级别的工作电压，故这些变压器的升压比一般都不高，难以达到kV级别的电压；高压常见于电力设备中，对应的变压器为电力变压器，对于电力变压器研究的问题主要为故障诊断、稳定运行等，其工作频率通常达不到1MHz及以上；
传输线变压器是在通信领域被广泛应用的一种特殊结构的变压器，基于全新的物理原理，且综合了变压器和传输线两种结构。传输线变压器在高频场合下主要表现为传输线特性，能够工作在很高的频率，工作频率最高达几百甚至几千兆赫兹，且拥有较宽的频带，容易制作的特点。但传输线变压器由于其结构的限制，对60以上的升压比实现相对困难，且相应的阻抗比是特定的分立值。
而目前研究者投入较多关注的高频功率变压器是电子电力变压器。其综合了变压器技术和电力电子技术，基于全新的物理原理，在功能和技术等方面都远超于传统的工频变压器。电子电力变压器一般用于功率较大的场合，且制作复杂、成本相对较高。
上述变压器都无法满足MHz级别频率、功率低至5W以下、升压电压高至kV级别的条件。因此需要设计出变压器能满足以上条件的变压器。
发明内容
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种升压变压器、升压方法及升压电路，该升压变压器可工作于MHz级别的频响、输出功率低于5W和kV级别工作电压的条件下，实现交流电源的升压比达到75以上。
本公开的第一个方面提供了一种升压变压器，包括：骨架，包括多个绝缘材料盘；变压器阵列组，由多个相同结构的变压器单元构成，每个变压器单元包括多个磁环及原副边绕组导线，该原副边绕组导线由多圈导线相迭后穿过多个磁环绕制构成，多个磁环(110)周向均匀固设于两个绝缘材料盘(120)间，多个磁环周向均匀固设于两个绝缘材料盘间；其中，原副边绕组导线包括原边绕组导线及副边绕组导线，每个变压器单元的原边绕组导线间并联，并分别与一低功率交流射频电源相连；每个变压器单元的副边绕组导线间串联，并与负载电路相连，每个副边绕组导线用于通过互感磁耦合作用将低功率交流射频电源进行升压后输出高压的交流电源。
进一步地，原边绕组导线的线圈匝数小于原副边绕组导线的线圈匝数。
进一步地，多个相同结构的变压器单元数量为1～10。
进一步地，每个变压器单元的磁环数量为1～10。
进一步地，每个磁环外径为20mm～50mm，内径为5mm～30mm，环宽为5mm～20mm。
进一步地，原边绕组导线与副边绕组导线的线圈匝数为5～80匝。
进一步地，每个磁环由镍锌铁氧体或铁硅铝材料构成。
进一步地，原副边绕组导线为漆包线或利兹线或同轴线。
本公开的第二个方面提供了一种基于本公开第一个方面提供的升压变压器的升压方法，包括：S1，将每个变压器单元的原边绕组导线接入一低功率的射频电源，并控制该射频电源的输出功率以使各原边绕组导线输出所需功率；S2，采用每个变压器单元的副边绕组导线通过互感磁耦合作用将低功率交流射频电源进行升压后并输出。
本公开的第三个方面提供了一种升压电路，包括：低功率射频电源，用于提供电源输入；如本公开第一个方面提供的升压变压器，其每个变压器单元的原边绕组导线分别与低功率射频电源相连，该升压变压器用于通过互感磁耦合作用将低功率交流射频电源进行升压后输出高压的交流电源；负载电路，其与每个变压器单元的副边绕组导线连接，用于将升压后输出高压的交流电源的电能转换为其他形式的能量。
本公开提供了一种升压变压器、升压方法及升压电路，该升压变压器通过变压器阵列组与骨架结构的优化，其基于传统的绕组变压器，采用原边并联副边串联的结构，原边绕组导线分别与交流电源相连接，副边绕组导线接入负载电路，由电源提供输入功率可达到电路升压的效果，本公开提供的升压变压器可用于MHz级别的频响、输出功率低于5W和kV级别工作电压的条件下，且升压比可达到75以上。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的升压变压器的立体图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的升压变压器的左视图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的升压变压器的俯视剖视图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的单个变压器单元的结构示意图；
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的升压方法流程图；
图6示意性示出了根据本公开再一实施例的升压电路的结构示意图；
图7示意性示出了根据本公开实施例的升压变压器的升压比测试等效电路图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
图1示意性示出了根据本公开实施例的升压变压器的立体图。
如图1所示，该升压变压器包括：骨架，包括多个绝缘材料盘120；变压器阵列组，由多个相同结构的变压器单元构成，每个变压器单元包括多个磁环110及原副边绕组导线130，多个磁环110周向均匀固设于两个绝缘材料盘120间，原副边绕组导线130由多圈导线相迭后穿过多个磁环110绕制构成；其中，原副边绕组导线130包括原边绕组导线及副边绕组导线，每个变压器单元的原边绕组导线间并联，并分别与一低功率交流射频电源相连；每个变压器单元的副边绕组导线间串联，并与负载电路相连，每个副边绕组导线用于通过互感磁耦合作用将低功率交流射频电源进行升压后输出高压的交流电源。
本公开的实施例中，每个原边绕组导线分别引出两个接线端131，其中一个接线端131用于与其他原边绕组导线并联并接地，另一个接线端131用于与低功率交流射频电源相连，该低功率交流射频电源的另一端接地。同理，每个副边绕组导线分别引出两个接线端132，其中，处于中间位置的变压器单元的两个接线端132分别与其相邻的变压器单元的接线端132通过螺钉相连，以使每个变压器单元的副边绕组导线间构成串联关系，第一组与最后一组变压器单元的副边绕组导线的另一个接线端132用于与负载电路相连，以使升压后的高压交流电源输出。
其中，在低功率射频交流电源的驱动下，回路中产生电流，通过线圈间的互感磁耦合形成能量传递，副边绕组导线根据绕组所缠匝数比产生相应kV级别的电压，其输出可满足等离子体传感器的工作电压需要。
图2示意性示出了根据本公开实施例的升压变压器的左视图。如图2所示，可以看出绝缘材料盘120与磁环110表面为相互贴合的关系，通过热熔胶将每个磁环110与绝缘材料盘12固定在一起，以减少机械移动对每个变压器工作带来的影响。
图3示意性示出了根据本公开实施例的升压变压器的俯视剖视图。如图3所示，每个磁环110周向均匀固设于两个绝缘材料盘120间，即每个磁环110结构尺寸大小一致，其均绕着绝缘材料盘120的中心轴均匀分布。
图4示意性示出了根据本公开实施例的单个变压器单元的结构示意图。如图4所示，每个磁环110周向均匀固设于两个绝缘材料盘120间，原副边绕组导线130由多圈导线相迭后整齐穿过多个磁环110的内圈绕制构成。
根据本公开的实施例，为达到较好的升压效果，原边绕组导线的线圈匝数小于副边绕组导线的线圈匝数。
根据本公开的实施例，当副边绕组导线所选匝数增加时，由于寄生电感增加等原因，原边绕组导线电压开始下降，即使升压比提高，副边绕组导线的电压反而会下降。因此，需要在原边绕组导线电压和升压比之间进行折衷考虑。本公开采用了多个变压器并联的方式，变压器的数量优选1～10个。通过原边绕组导线之间采用并联方式，而副边绕组导线之间采用串联，原边绕组导线采用并联可以降低激磁阻抗，有利于减少原边电压的衰减，而副边绕组导线并联则可以使电压叠加，以此达到实际应用需求的输出工作电压。
具体地，磁芯/磁环是变压器传递能量和磁耦合的主要媒介，因此磁芯的选择对于整个变压器来说是十分关键。在磁芯的选择上，主要是对其材料和尺寸的选择。首先考虑可作为磁芯材料的各项指标及影响因素，通常包括不同频率下的磁芯损耗、饱和磁通密度、相对磁导率、通过功率、电阻率等；同时还需要考虑机械强度、散热等因素对变压器装配的影响。
而磁芯损耗主要分为磁滞损耗和涡流损耗。铁磁材料在反复的磁化过程中因磁滞现象造成而能量或功率的损耗，而这种现象所产生的功率损耗称为磁滞损耗。经过理论分析证明，磁滞损耗与磁滞回线的面积(对用一种材料，取决于磁通密度最大值Bm)、磁场交变频率f、铁磁材料体积V成正比，工程中计算磁滞损耗的公式为pHy＝CHyfBm nV，其中CHy为磁滞损耗系数，与材料有关；n为由试验确定的指数，一般取1.6～2.3。交变磁场在铁磁材料内部形成感应电动势，随之产生的漩涡状感应电流成为涡流，涡流会产生焦耳热损耗，即涡流损耗。分析表明，涡流损耗与磁通密度、磁场交变频率以及垂直于磁场方向上材料厚度d的平方成正比，与材料的电阻率ρ成反比，计算公式为，pFt＝CFtf2Bm 2d2V，其中CFt为涡流损耗系数，大小取决于ρ。可见，对于尺寸相似的磁芯来说，当交变磁场频率很高时，涡流损耗由于与频率的平方成正比，会明显增大，成为主要损耗。
根据本公开的实施例，在高频工作条件下，磁芯的涡流损耗比磁滞损耗的数量级大，因此首先考虑减小磁芯的涡流损耗，而电阻率对磁芯的涡流损耗起主要决定作用，即电阻率与磁芯的涡流损耗成反比，电阻率越高涡流损耗越小。本公开实施例所选可用磁芯是在MHz级别频率下进行工作，可用磁芯(磁环)材料包括但不限于镍锌铁氧体、铁硅铝等材料。
根据本公开的实施例，综合考虑整个升压变压器的尺寸，磁芯/磁环优选的磁环尺寸其外径为20mm～50mm，内径为5mm～30mm，环宽为5mm～20mm，该尺寸下所对应磁环相对磁导率范围为10～250。
具体地，由于磁环尺寸较小，同时需要提高绕组的电感量以实现与射频电源的功率匹配。根据诺依曼公式，导线电感与匝数N、介质相对磁导率μ的关系为：
Figure BDA0002934540590000071
从上式可以得到，增加磁环数量可以扩大积分项的值，及增加匝数同样可以增大电感。因此，本公开实施例中，磁环的数量优选范围为1～10，原边绕组导线与副边绕组导线的线圈匝数优选为5～80匝。
根据本公开的实施例，考虑到寄生电容，导线的趋肤效应对变压器工作特性的影响，每个变压器单元的原副边绕组导线130的材料优选漆包线或利兹线或同轴线。其中，利兹线多用于高频交流电传输的使用，它是由多根极细的导线互相交扭编制而成，能显著降低线缆中导体因趋肤效应和邻近效应导致的能量损耗，从而降低电阻率。同轴线由芯线和屏蔽层两组导体构成，芯线和屏蔽层间由塑料绝缘层隔开，然后整个电缆由聚氯乙烯或特氟纶材料的护套包住。同轴线的芯线和屏蔽层距离非常近且均匀，因此具有很好的传输线特性。
需说明的是，上述图例及实施例为本公开提供的升压变压器实施例说明，其并不对该升压变压器结构的限定，如根据实际应用需求，本公开提供的升压变压器中每个升压器单元的磁环数量并不仅限于1～10，升压器单元的个数并不限于图示的3个，其可根据实际应用需求为5个或8个或10个或其他数量的升压器单元构成的升压变压器。
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的升压方法流程图。
如图5所示，基于上述实施例所示的升压变压器的升压方法包括：
S1，将每个变压器单元的原边绕组导线接入一低功率的射频电源，并控制该射频电源的输出功率以各原边绕组导线输出所需功率；
S2，采用每个变压器单元的副边绕组导线通过互感磁耦合作用将低功率交流射频电源进行升压后并输出。
本公开实施例中，该升压变压器的结构如上述实施例所示，此处对其不再做详细的表述。
图6示意性示出了根据本公开另一实施例的升压电路的结构示意图。
如图6所示，该升压电路包括：
低功率射频电源610，用于提供电源输入。
本公开实施例中，低功率射频电源610为射频宽范围可变频率的交流电源，其为负载电路提供激励信号。
如上述实施例所示的升压变压器620，其每个变压器单元的原边绕组导线分别与低功率射频电源610相连，该升压变压器用于通过互感磁耦合作用将低功率交流射频电源进行升压后输出高压的交流电源。
负载电路630，其与每个变压器单元的副边绕组导线连接，用于将升压后输出高压的交流电源的电能转换为其他形式的能量。
本公开的实施例中，该负载电路可以包括等离子体传感器等其他工作部件。
本公开的实施例中，如图7所示为上述实施例所示的升压变压器的升压比测试等效电路图。
如图7所示，该测试等效电路图包括：
低功率射频电源710为射频宽范围可变频率的交流电源，其频率在10kHz～20MHz范围内可无级自由调节，为负载提供激励信号。
如上述实施例所示的升压变压器720，其每个变压器单元的原边绕组导线分别与低功率射频电源710相连，该升压变压器用于通过互感磁耦合作用将低功率交流射频电源进行升压后输出高压的交流电源。
电流探头730，用于测试升压变压器720中副边绕组导线回路中的电流大小，控制回路中电流以满足所需电流。
电压探头740，用于采集副边绕组导线的副边电压，以获得实验的升压比结果。本公开实施例中，采用的电压探头740为Tektronix公司的P6015A型，最高耐压20kVac，最高工作频率75MHz，其内阻100MΩ/3pF。
示波器750，用于测量副边绕组导线回路中电压波形信息。本公开实施例中，采用的示波器750为DPO3034数字荧光彩色示波器，其带宽为300MHz，采集速度为2.5GS/s，5M的记录长度，其有4个模拟输入通道。
其中，通过如图7所示的测试等效电路图，通过实验反复论证，本公开提供的升压变压器可用于MHz级别带宽、输出功率低于20W，在射频电源工作频率为1.73MHz，磁环数为5个，原边绕组导线的线圈匝数与副边绕组导线线圈匝数比为1∶60的情况下，其升压比可达到75以上，输出kV级别工作电压。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种升压变压器，其特征在于，包括：
骨架，包括多个绝缘材料盘(120)；
变压器阵列组，由多个相同结构的变压器单元构成，每个所述 变压器单元包括多个磁环(110)及原副边绕组导线(130)，所述多个磁环(110)周向均匀固设于两个绝缘材料盘(120)间，所述原副边绕组导线(130)由多圈导线相迭后穿过多个磁环(110)绕制构成；
其中，所述原副边绕组导线(130)包括原边绕组导线及副边绕组导线，每个所述 变压器单元的原边绕组导线间并联，并分别与一低功率交流射频电源相连；每个所述 变压器单元的副边绕组导线间串联，并与负载电路相连，每个所述 副边绕组导线用于通过互感磁耦合作用将低功率交流射频电源进行升压后输出高压的交流电源。
2.根据权利要求1所述的升压变压器，其特征在于，所述原边绕组导线的线圈匝数小于所述副边绕组导线的线圈匝数。
3.根据权利要求1所述的升压变压器，其特征在于，所述多个相同结构的变压器单元数量为1～10。
4.根据权利要求1所述的升压变压器，其特征在于，每个所述变压器单元的磁环(110)数量为1～10。
5.根据权利要求1所述的升压变压器，其特征在于，每个所述磁环(110)外径为20mm～50mm，内径为5mm～30mm，环宽为5mm～20mm。
6.根据权利要求2所述的升压变压器，其特征在于，所述原边绕组导线与所述副边绕组导线的线圈匝数为5～80匝。
7.根据权利要求1所述的升压变压器，其特征在于，每个所述磁环(110)由镍锌铁氧体或铁硅铝材料构成。
8.根据权利要求1所述的升压变压器，其特征在于，所述原副边绕组导线(130)为漆包线或利兹线或同轴线。
9.一种基于如权利要求1至8任意一项所述的升压变压器的升压方法，其特征在于，包括：
S1，将每个所述变压器单元的原边绕组导线接入一低功率的射频电源，并控制该射频电源的输出功率以使各原边绕组导线输出所需功率；
S2，采用每个所述变压器单元的副边绕组导线通过互感磁耦合作用将低功率交流射频电源进行升压后并输出。
10.一种升压电路，其特征在于，包括：
低功率射频电源，用于提供电源输入；
如权利要求1至8任意一项所述的升压变压器，其每个所述变压器单元的原边绕组导线分别与所述低功率射频电源相连，所述升压变压器用于通过互感磁耦合作用将低功率交流射频电源进行升压后输出高压的交流电源；
负载电路，其与每个所述变压器单元的副边绕组导线连接，用于将所述升压后输出高压的交流电源的电能转换为其他形式的能量。
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