CN113643885B - 初级线圈结构及其高压脉冲变压器 - Google Patents

Abstract

一种高压脉冲变压器初级线圈结构，结构上由铁芯、初级线圈、母排、储能电容、开关(IGBT)、二极管、吸收电容和二极管压接铜排组成，所有组件都安装在所述的母排上。本发明采用全固态设计，结构紧凑、组装方便、接口清晰、易于拓展，特别便于生产过程中的工艺管控，降低了生产成本，提高了产品质量的稳定性。

Description

初级线圈结构及其高压脉冲变压器

技术领域

本发明属于纳秒级高压脉冲电源，特别是一种初级线圈结构及其高压脉冲变压器。

背景技术

国际上该类纳秒级高压脉冲电源，大多仍处于实验室验证阶段，通常都使用PCB板作为电子电路载体，变压器使用CNC多件加工工艺，零件众多，连接麻烦，接口可靠性不强，试验过程中经常发生不可控的可靠性故障，且发生问题后故障点排查的工作量和工作难度都很大。

发明内容

为改善现有技术可靠性问题，本发明提供一种高压脉冲变压器初级线圈结构,该初级线圈结构采用全固态设计，结构紧凑、组装方便、接口清晰、易于拓展，特别便于生产过程中的工艺管控，降低了生产成本，提高了产品质量的稳定性。

本发明的技术解决方案如下：

一种高压脉冲变压器初级线圈结构，其特点在于，包括铁芯、初级线圈、母排、多个储能电容、两个开关IGBT、两个二极管、两个吸收电容和两个二极管压接铜排；

所述的初级线圈为横截面为U型槽的环形结构，所述的初级线圈预留有磁恢复回路接口和与所述的母排连接的螺纹孔；

所述的母排为对称结构，配置两个放电回路同时对初级线圈进行放电，每个放电回路至少一个储能电容；在所述的母排的中心区域设有次级线圈通孔，在该次级线圈通孔外设有内外两圈的初级线圈安装接口，供所述的初级线圈安装；在所述的次级线圈通孔两侧、母排的周边区域分别设有储能电容安装接口，供所述的储能电容安装，在所述的母排的横轴的两端分别设有开关安装接口，供所述的开关IGBT安装；在所述的母排安装所述的初级线圈和安装所述的开关IGBT之间分别设有二极管安装接口和吸收电容安装接口，所述的二极管、吸收电容分别通过所述的二极管安装接口和所述的吸收电容安装接口与所述的母排及所述的二极管压接铜排连接，形成模块的吸收回路；在所述的母排的前端的两侧分别设有模块供电接口，在所述的母排的前端的中间设有模块屏蔽接地接口；

所述的铁芯为环形结构，所述的铁芯安装在所述的初级线圈和所述的母排所形成的腔体内。

所述的铁芯采用铁氧体、非晶、或纳米晶材料制造。

所述的初级线圈与所述的母排结构相匹配，所述的初级线圈通过与所述的初级线圈安装接口和相对应的螺纹孔安装在所述的母排的中间区域。

所述的初级线圈为横截面为U型槽的环形结构，采用黄铜、紫铜或铝合金等材料制造，表面做镀镍、镀锡、镀银或镀金处理，所述的初级线圈结构包含圆弧或45°倒角。

所述的母排采用叠层母排工艺，并使用环氧板作为绝缘增强，结构加固的手段，该器件为本发明所涉及结构的安装基础。

所述的储能电容为方形结构，电极上设置压铆螺母，与所述的母排使用螺钉安装时类似于PCB工艺的贴片安装。

所述的开关选用高压快恢复系列IGBT，使用光控模式驱动，安装时导电端子与母排通过开关安装接口连接，为倒置安装。IGBT散热基板安装散热模块。

所述的高压脉冲变压器初级线圈结构，左右沿竖直轴线对称，上下沿水平直线偏心对称。

所述的铁芯安装在所述的初级线圈和母排所形成的腔体内，并使用在铁芯上绕制绝缘材料的方法填充腔体内的空隙，起到防松、抗震和绝缘加强的作用。

一种含上述初级线圈结构的高压脉冲变压器，其特点在于，由N个所述的初级线圈结构堆叠组合而成。所述的高压脉冲变压器初级线圈结构既可用于制作柱形结构高压脉冲变压器，又可用于制作环形结构高压脉冲变压器。

当N≤16时，为柱形结构高压脉冲变压器，即左右2个所述的初级线圈结构按照相反的方向放置，保证沿高压包线圈绕向布置，层与层之间使用T型垫圈隔离；

当16<N≤25时,为柱形结构或者环形结构高压脉冲变压器可；

当N＞25时，为环形结构高压脉冲变压器，即沿水平环向同向布置所述的初级线圈结构。

本发明的技术效果如下：

相对于现有的结构，本发明借用机械设计公差基准的概念，将所有高压脉冲变压器初级线圈组件全部安装到母排这一个基准组件上。母排既作为组件载体，又作为复杂线路走线的通道，绝缘结构使用环氧板加强，同时又获得了足够的机械强度。

本发明高压脉冲变压器初级线圈结构所需装配的零部件数量下降了30％，紧固件数量下降了70％，主要回路中的电气连接点下降了40％，结构体积下降了10％，重量下降了20％，有效的提高了生产效率、安装精度，节省了材料，提高了产品的可靠性。

本发明采用全固态设计，结构紧凑、组装方便、接口清晰、易于拓展，特别便于生产过程中的工艺管控，降低了生产成本，提高了产品质量的稳定性。

附图说明

图1是本发明高压脉冲变压器初级线圈结构示意图

图2是所述的铁芯的结构示意图

图3是初级线圈的结构示意图，其中，a为仰视图，b为立体图，c为正视图，d为剖视图。

图4是母排的俯视图

图5是储能电容的立体图

图6是柱形结构的高压脉冲变压器的结构示意图

图7是环形结构的高压脉冲变压器的结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1、图2、图3、图4、图5，图1是本发明高压脉冲变压器初级线圈结构示意图，图2是所述的铁芯的结构示意图，图3是初级线圈的立体图、仰视图、正视图和剖视图，图4是母排的俯视图，图5是储能电容的立体图，由图可见，本发明高压脉冲变压器初级线圈结构，包括铁芯1、初级线圈2、母排3、四个储能电容4、两个开关5、两个二极管6、两个吸收电容7和两个二极管压接铜排8，所述的初级线圈2为横截面为U型槽的环形结构9，所述的初级线圈2预留有预留有磁恢复回路接口12和与所述的母排3连接的螺纹孔11；所述的母排3为对称结构，配置两个放电回路同时对初级线圈2进行放电，每路配置2个储能电容4；在所述的母排3的中心区域设有次级线圈通孔，在该次级线圈通孔外设有内外两圈的初级线圈安装接口13，在所述的母排3的四角区域分别设有储能电容安装接口14，在所述的母排3的横轴的两端分别设有开关安装接口15，在所述的母排3安装所述的初级线圈2和安装所述的开关5之间分别设有二极管安装接口16和吸收电容安装接口17，在所述的母排3的前边的两端分别设有模块供电接口18和中间设有模块屏蔽接地接口19，所述的初级线圈2与所述的母排3结构相匹配，所述的初级线圈2通过螺钉与所述的初级线圈安装接口13和相对应的螺纹孔11安装在所述的母排3的中间区域；所述的储能电容4为方形结构，使用螺钉通过所述的储能电容的安装接口14将所述的所述的储能电容4安装在所述的母排3的四个角区域；所述的开关5通过导电端子与所述的开关安装接口15安装在所述的母排3的横轴的两端，所述的二极管6安装在所述的初级线圈2和安装所述的开关5之间的所述的母排3上；所述的吸收电容7安装在所述的初级线圈2和安装所述的开关5之间的所述的母排3上；所述的二极管6、吸收电容7分别通过所述的二极管安装接口16和所述的吸收电容安装接口17与所述的母排3及所述的二极管压接铜排8连接，形成模块的吸收回路；所述的铁芯1为环形结构，所述的铁芯1安装在所述的初级线圈2和所述的母排3所形成的腔体内。

所述的铁芯1采用铁氧体、非晶、或纳米晶材料制造。

所述的初级线圈2为横截面为U型槽的环形结构9，采用黄铜、紫铜或铝合金等材料制造，表面做镀镍、镀锡、镀银或镀金处理，所述的初级线圈结构包含圆弧或45°倒角10。参见图3的剖视图。

所述的母排3采用叠层母排工艺，并使用环氧板作为绝缘增强，结构加固的手段，该器件为本发明所涉及结构的安装基础。

所述的储能电容4为方形结构，电极上设置压铆螺母，与母排3使用螺钉安装时类似于PCB工艺的贴片安装。

所述的开关5选用高压快恢复系列IGBT，使用光控模式驱动，安装时导电端子与所述的母排3通过开关安装接口15连接，为倒置安装。IGBT散热基板安装散热模块。如图1。

所述的高压脉冲变压器初级线圈结构，左右沿竖直轴线对称，上下沿水平直线偏心对称。

所述的铁芯1安装在所述的初级线圈2和母排3所形成的腔体内，并使用在铁芯1上绕制绝缘材料的方法填充腔体内的空隙，起到防松、抗震和绝缘加强的作用。

所述的高压脉冲变压器初级线圈结构既可用于制作柱形结构高压脉冲变压器(参见图6)，又可用于制作环形结构高压脉冲变压器(参见图7)。

本高压脉冲变压器初级线圈结构应用案例：

本发明产品在工业应用中，作为设备组件，若干组堆叠作为初级包使用：

1、堆叠数量≤16层时，一般选择偶数层，使用柱形结构。如图6。

2、堆叠数量＞16层≤25层时，可以选择偶数层，使用柱形结构，也可以任意选择层数使用环形结构。

3、堆叠数量＞25层时，选择环形结构会有性能优势。如图7。

柱形结构时，左右两列按照相反的方向放置，保证沿高压包线圈绕向布置。层与层之间使用T型垫圈隔离。所述的次级线圈2可以采用若干匝高压电缆绕制，建议采用3-10匝。实施简图如图6。

环形结构时，沿水平环向同向布置。模组统一与支撑框架连接，支撑框架可以是绝缘结构外加接地铜排，也可以直接是金属框架直接接地。所述的次级线圈2可以采用若干匝高压电缆绕制，建议采用3-10匝。实施简图如图7。

实验表明，相对于现有的结构，本发明高压脉冲变压器初级线圈结构所需装配的零部件数量下降了30％，紧固件数量下降了70％，主要回路中的电气连接点下降了40％，结构体积下降了10％，重量下降了20％，有效的提高了生产效率、安装精度，节省了材料，提高了产品的可靠性。

本发明采用全固态设计，结构紧凑、组装方便、接口清晰、易于拓展，特别便于生产过程中的工艺管控，降低了生产成本，提高了产品质量的稳定性。

Claims (9)

1.一种高压脉冲变压器初级线圈结构，其特征在于，包括铁芯（1）、初级线圈（2）、母排（3）、多个储能电容（4）、两个开关IGBT（5）、两个二极管（6）、两个吸收电容（7）和两个二极管压接铜排（8）；

所述的初级线圈（2）为横截面为U型槽的环形结构（9），所述的初级线圈（2）预留有磁恢复回路接口（12）和与所述的母排（3）连接的螺纹孔（11）；

所述的母排（3）为对称结构，配置两个放电回路同时对初级线圈（2）进行放电，每个放电回路至少一个储能电容（4）；在所述的母排（3）的中心区域设有次级线圈通孔（20），在该次级线圈通孔（20）外设有内外两圈的初级线圈安装接口（13），供所述的初级线圈（2）安装；在所述的次级线圈通孔（20）两侧、母排（3）的周边区域分别设有储能电容安装接口（14），供所述的储能电容（4）安装，在所述的母排（3）的横轴的两端分别设有开关安装接口（15），供所述的开关IGBT（5）安装；在所述的母排（3）安装所述的初级线圈（2）和安装所述的开关IGBT（5）之间分别设有二极管安装接口（16）和吸收电容安装接口（17），所述的二极管（6）、吸收电容（7）分别通过所述的二极管安装接口（16）和所述的吸收电容安装接口（17）与所述的母排（3）及所述的二极管压接铜排（8）连接，形成模块的吸收回路；在所述的母排（3）的前端的两侧分别设有模块供电接口（18），在所述的母排（3）的前端的中间设有模块屏蔽接地接口（19）；

所述的铁芯（1）为环形结构，所述的铁芯（1）安装在所述的初级线圈（2）和所述的母排（3）所形成的腔体内；

所述的初级线圈（2）与所述的母排（3）结构相匹配，所述的初级线圈（2）通过与所述的初级线圈安装接口（13）和相对应的螺纹孔（11）安装在所述的母排（3）的中间区域；

所述的开关IGBT（5）通过导电端子与所述的开关安装接口（15）安装在所述的母排（3）的横轴的两端，所述的二极管（6）安装在所述的初级线圈（2）和安装所述的开关IGBT（5）之间的所述的母排（3）上；所述的吸收电容（7）安装在所述的初级线圈（2）和安装所述的开关IGBT（5）之间的所述的母排（3）上。

2.根据权利要求1所述的高压脉冲变压器初级线圈结构，其特征在于，所述的初级线圈（2）采用黄铜、紫铜或铝合金材料制造，表面做镀镍、镀锡、镀银或镀金处理，所述的初级线圈结构包含圆弧或45°倒角（10）。

3.根据权利要求1所述的高压脉冲变压器初级线圈结构，其特征在于，所述的储能电容（4）为方形结构，使用螺钉通过所述的储能电容的安装接口（14）将所述的所述的储能电容（4）安装在所述的母排（3）的四个角区域。

4.根据权利要求1所述的高压脉冲变压器初级线圈结构，其特征在于所述的铁芯（1）安装在所述的初级线圈（2）和母排（3）所形成的腔体内，并使用在铁芯（1）上绕制绝缘材料的方法填充腔体内的空隙，起到防松、抗震和绝缘加强的作用。

5.根据权利要求1或4所述的高压脉冲变压器初级线圈结构，其特征在于，所述的铁芯（1）采用铁氧体、非晶、或纳米晶材料制造。

6.根据权利要求1所述的高压脉冲变压器初级线圈结构，其特征在于所述的母排（3）采用叠层母排工艺，并使用环氧板作为绝缘增强。

7.根据权利要求1所述的高压脉冲变压器初级线圈结构，其特征在于所述的开关IGBT（5）选用高压快恢复系列IGBT，使用光控模式驱动，安装时导电端子与所述的母排（3）通过开关安装接口（15）连接，为倒置安装，IGBT散热基板安装散热模块。

8.一种含权利要求1-7任一所述的初级线圈结构的高压脉冲变压器，其特征在于，由N个所述的初级线圈结构堆叠组合而成。

9.根据权利要求8所述的高压脉冲变压器，其特征在于，

当N≤16时，为柱形结构高压脉冲变压器，即左右2个所述的初级线圈结构按照相反的方向放置，保证沿高压包线圈绕向布置，层与层之间使用T型垫圈隔离；

当16<N≤25时,为柱形结构或者环形结构高压脉冲变压器可；

当N＞25时，为环形结构高压脉冲变压器，即沿水平环向同向布置所述的初级线圈结构。