CN114171302A - 高压隔离平板变压器及电场应力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于变压器技术领域，具体涉及了一种高压隔离平板变压器及电场应力控制方法，旨在解决传统变压器体积、重量大，而现有平板变压器耐压低的问题。本发明包括：平板变压器的低压绕组完全包覆高压绕组，实现高、低压绕组之间的高压隔离；通过电场应力控制单元将高介电常数的应力控制材料覆盖于绕组重叠边沿处周围的PCB表面上，以改变PCB表面的阻抗分布来实现对电位的控制，改善绕组断开处的电场分布，避免场强局部过大引起的局部放电、击穿或发热等问题。本发明变压器电场分布均匀、空气中的电场强度小、减少局部放电，且电场应力控制单元体积较常规绝缘方法大大减小，因此平板变压器体积小、功率密度大、结构简单、参数一致性好。

Description

高压隔离平板变压器及电场应力控制方法

技术领域

本发明属于变压器技术领域，具体涉及了一种高压隔离平板变压器及电场应力控制方法。

背景技术

电力电子变压器、电能路由器等以中压直流变压器为核心的电力电子装备在能源互联网中具有重要的支撑作用。高压隔离高频变压器是电力电子变压器、能量路由器的关键核心部件，用于实现高低压电气隔离、电压等级变换等核心功能。

高频变压器的转换效率、功率密度及可靠性对于变换器及系统的效率、功率密度、可靠性、可控性、耐压水平等性能至关重要。随着电力电子变压器等新型电力电子技术在交直流混合配电网/微电网、新能源中压直流并网、电动汽车快充站、数据中心供电和机车牵引供电等领域的不断深入，对高频变压器提出了“高压隔离”、“高效率”、“高功率密度”、“高可靠性”的应用需求。

传统高压隔离高频变压器通过固体、液体、气体绝缘等方式以实现较高的隔离耐压，存在体积大、重量大、可靠性差、成本高等问题，导致电力电子变压器、电能路由器等虽然在功能上优于常规工频变压器，但在体积、成本、可靠性等方面的优势并不明显。而且传统高压隔离高频变压器结构复杂，在生产过程中难以保证产品参数的一致性。

平板变压器是高频变压器的较新型的结构形式，其采用扁平化的结构，绕组通常采用铜箔或PCB层叠构成，在高度方面得到了极大降低。由于平板变压器体积小、结构紧凑，原副边绕组之间的绝缘距离有限，目前主要应用于隔离耐压要求较低(≤4kV)的应用中。

目前，高功率密度、高隔离耐压的高频变压器成为制约电力电子变压器、电能路由器等应用和发展的瓶颈技术之一，其在限制系统成本降低的同时，也严重的制约了电力电子变压器技术在多个领域中的推广应用，如何突破高效率、高功率密度、高绝缘耐压高频变压器变压器的关键技术成为迫切需要解决的关键问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即传统变压器体积大、重量大、功率密度低、绝缘设计复杂、可靠性差，而现有平板变压器耐压水平低(≤4kV)的问题，本发明提供了一种高压隔离平板变压器，基于电路板构建，包括低压绕组、高压绕组、绝缘介质、磁芯和电场应力控制单元；

所述磁芯，贯通低压绕组和高压绕组，构成闭合磁路；

所述高压绕组，平行设置于磁芯上，高压绕组的位置重合且通过过孔连接；

所述低压绕组，平行设置于磁芯上的高压绕组上侧和下侧，且与高压绕组平行，低压绕组位置重合且通过过孔连接；

所述绝缘介质，设置于所有高压绕组之间、低压绕组之间和高压绕组与低压绕组之间；

所述电场应力控制单元，平行设置于电路板上侧和下侧，覆盖于低压绕组末端与高压绕组的重叠边沿。

在一些优选的实施方式中，所述电场应力控制单元，采用高介电常数材料，通过表面粘贴、浇筑或热熔的方法稳固包绕于电路板外侧。

在一些优选的实施方式中，所述电场应力控制单元，采用介电常数≥10的材料，可选取常规以橡胶为基材的应力控制带或应力控制管、半导体材料或非线性电阻材料。

在一些优选的实施方式中，所述电场应力控制单元，等效为串联的高压电阻。

在一些优选的实施方式中，所述电场应力控制单元，用于匀化所述高压绕组和所述低压绕组之间的电压分布，减小电场畸变，正常工作时表面等势线以平行于低压绕组边沿，呈均匀梯度排布。

在一些优选的实施方式中，所述高压绕组，为位于电路板内层的，间隔设置的平行铜箔。

在一些优选的实施方式中，所述高压绕组，相较于低压绕组多出出线端部分。

在一些优选的实施方式中，低压绕组和高压绕组之间，由分布于电路板材料各层的多个电场控制铜箔组成，第1个电场控制铜箔与低压绕组相连，第n个电场控制铜箔与高压绕组相连，每个电场控制铜箔都有一个悬浮电位，且电位由高压绕组到低压绕组方向逐渐梯度降低。

在一些优选的实施方式中，工作时高频电流在高压绕组中流通，并在磁芯中产生高频磁场，高频磁场进而在低压绕组中感生出高频电流。

本发明的另一方面，提出了一种高压隔离平板变压器电场应力控制方法，应用于上述的高压隔离平板变压器，所述方法包括：

步骤S100，基于击穿场强、介电常数、损耗因子选取基板材料和介质厚度；

步骤S200，基于高压隔离平板变压器的原副边的隔离电压工况确定所述基板材料中各点的最大电场设计强度和空气最大电场设计强度，作为电场控制单元优化的设计阈值；

步骤S300，预设电场应力控制单元的宽度、厚度和材料，基于PCB基板材料和电场应力控制单元的材料参数，通过计算、仿真或测试的方法得到基板材料中各点的电场强度和空气中的电场强度；

步骤S400，判断所述基板材料中各点的电场强度和空气中的电场强度是否大于所述电场控制单元优化的设计阈值且电场分布均匀；

步骤S500，若步骤S400中存在判断结果为大于或电场分布不均匀的情况，则重复步骤S300-步骤S400的方法增加电场应力控制单元的宽度或厚度重新设计，直至所述电场强度和空气中的电场强度小于或等于电场控制单元优化的设计阈值且电场强度分布均匀，获高压隔离平板变压器电场应力的高压绝缘设计参数；

步骤S600，依据所述高压绝缘设计参数制作高压隔离平板变压器，并在所述原副边的隔离电压工况下进行工作本发明的有益效果：

(1)本发明高压隔离平板变压器，采用电场应力控制单元控制PCB周围的电场分布，电场应力控制单元采用高介电常数的半导电材料，与常规绝缘方法或采用均压单元进行均场的方法相比，具有体积小、易于安装、无额外损耗等优点。

(2)本发明高压隔离平板变压器，可消除空气中电场畸变的问题，减小空气中的电场强度，降低了空气中局部放电的可能性，并且相对于常规通过增加绝缘间隙或采用高压电缆终端的结构，体积大大减小、结构简单，提高了变压器的功率密度。

(3)本发明高压隔离平板变压器，采用低压绕组与高压绕组交叠，且低压绕组完全包覆高压绕组的结构，通过PCB绝缘介质实现了高、低压绕组之间的高压固态绝缘，减小了高压绕组周围空气中的电场强度。并且，由于低压绕组在PCB的外层，其对地电位较小，因此可方便实现变压器磁芯的安全接地。

(4)本发明高压隔离平板变压器，高压绕组和低压绕组通过PCB中的多层铜箔实现，工作频率高、功率密度高，且得益于PCB的高加工精度，使得基于PCB绕组的平板变压器参数一致性好，特别适用于模块化、批量化应用。

(5)本发明高压隔离平板变压器，电场应力控制单元可以采用常规的以橡胶为基材的应力控制带或应力控制管，也可以采用其他介电常数较高的半导体材料，材料选择范围广泛、占用体积小、工艺简单、成本低。

(6)本发明高压隔离平板变压器，充分利用了PCB电路板和PCB绝缘介质优异且成熟的加工工艺，所提出的PCB绕组结构简单，无需额外的绝缘措施即可实现较高的电压隔离。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例中高压隔离平板变压器立体示意图；

图2是本发明实施例中高压隔离平板变压器及其等电位线的截面图；

图3是常规平板变压器及其等电位线的截面图；

图4是本发明实施例中高压隔离平板变压器的电场应力控制单元的等效电路图；

图5是常规平板变压器高压绕组与低压绕组重叠边沿处的等效电路图；

图6是本发明高隔离耐压平板变压器一种实施例的高压隔离平板变压器电场强度有限元仿真结果图；

图7是常规平板变压器电场强度有限元仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种高压隔离平板变压器，本变压器采用电场应力控制单元控制PCB周围的电场分布，消除空气中电场畸变的问题，减小空气中的电场强度，降低了空气中局部放电的可能性，并且相对于常规通过增加绝缘间隙或采用高压电缆终端的结构，体积大大减小、结构简单，提高了变压器的功率密度。

为了更清晰地对本发明高压隔离平板变压器进行说明，下面结合图1和图2对本发明实施例中各组件展开详述。

本发明的一种高压隔离平板变压器，基于电路板构建，如图2所示，包括低压绕组1、高压绕组2、绝缘介质3、磁芯4和电场应力控制单元5；

所述磁芯4，贯通低压绕组和高压绕组，构成闭合磁路；

所述高压绕组2，平行设置于磁芯上，高压绕组2的位置重合且通过过孔连接；在本实施例中，为位于电路板内层的，间隔设置的平行铜箔，相较于低压绕组多出出线端部分。

所述低压绕组1，平行设置于磁芯4上的高压绕组2上侧和下侧，且与高压绕组2平行，低压绕组1位置重合且通过过孔连接；

所述绝缘介质3，设置于所有高压绕组2之间、低压绕组1之间和高压绕组2与低压绕组1之间；绝缘介质3用于高压隔离。绝缘材料可采用PCB基材。在本实施例中，低压绕组1和高压绕组2之间，由分布于电路板材料各层的多个电场控制铜箔组成，第1个电场控制铜箔与低压绕组1相连，第n个电场控制铜箔与高压绕组2相连，每个电场控制铜箔都有一个悬浮电位，且电位由高压绕组到低压绕组方向逐渐梯度降低。

在本实施例中，工作时高频电流在高压绕组2中流通，并在磁芯4中产生高频磁场，高频磁场进而在低压绕组1中感生出高频电流，进而实现电能的隔离传输。

所述电场应力控制单元5，平行设置于电路板上侧和下侧，覆盖于低压绕组1末端与高压绕组2的重叠边沿。用于控制高压绕组2出线端周围的电场分布，降低空气中的电场强度。

在本实施例中，所述电场应力控制单元5，采用高介电常数材料，通过表面粘贴、浇筑或热熔的方法稳固包绕于电路板外侧。以保证中间无气泡，应力控制材料中的场强分布均匀，避免了场强局部过大引起的击穿或发热问题。应力控制材料的长度和厚度需要根据具体工况和响应材料的特性来进行合理选择。需要注意的是，电场应力控制单元的应力控制材料并非介电常数越高越好，因为介电常数越大，材料的体积电阻率一般相应就会降低，引起的电流产生较大热量，促使应力控制材料的老化甚至失效。

将磁芯接到低压绕组的参考地可避免磁芯由于存在悬浮电位造成的放电、触电等问题，本发明将低压绕组设置在PCB外层，高压绕组设置在PCB内层，多层绕组之间通过埋孔或盲孔进行连接。这样低压绕组和PCB应力控制单元一起将高压绕组包覆在PCB内部，解决了空气中电场集中问题。同时，基于此结构的变压器磁芯与低压绕组之间无绝缘问题，保证平板变压器的可靠运行。

在本实施例中，所述电场应力控制单元5，采用介电常数≥10的材料，可选取常规以橡胶为基材的应力控制带或应力控制管、半导体材料或非线性电阻材料，等效为串联的高压电阻，如图4所示，实现分压。

在本实施例中，所述电场应力控制单元5，用于匀化所述高压绕组2和所述低压绕组之间1的电压分布，减小电场畸变，正常工作时表面等势线以平行于低压绕组边沿，呈均匀梯度排布。从而改变了PCB表面的电位分布，从而达到均匀电场的作用，降低常规高压隔离变压器中低压绕组和高压绕组重叠边沿存在的电场畸变和场强过大引起的局部放电等问题，效果如图2的等电位线6所示。常规的平板变压器截面图如图3所示，图3中各个标号代表的含义与图2相同，图3中的等电位线在低压绕组边沿集中发生严重畸变，电场分布不均匀，其等效电路如图5所示。随着高、低压绕组之间施加电压的增加，绕组断开处的场强逐渐增强，空气等效电阻R1两端的电势差逐渐增大，较高的电场强度易引起PCB表面空气中发生局部放电甚至击穿，容易导致局部放电、绝缘失效等故障。

由于电场应力控制单元的应力控制材料包绕在高压绕组与低压绕组断开处的上层和下层并将其完全覆盖，可起到电场屏蔽的作用

本发明高压隔离平板变压器电场应力控制方法，所述方法包括：

步骤S100，基于击穿场强、介电常数、损耗因子选取基板材料和介质厚度；本实施例优选FR4环氧树脂S1180作为PCB基板材料，它的典型击穿场强为60kV/mm；

步骤S200，基于高压隔离平板变压器的原副边的隔离电压工况确定所述基板材料中各点的最大电场设计强度和空气最大电场设计强度，作为电场控制单元优化的设计阈值；本实施例优选S1180介质的典型击穿场强的20％作为最大电场设计强度，即12kV/mm；另外设置空气的最大电场设计强度为2kV/mm；

步骤S300，预设电场应力控制单元的宽度、厚度和材料，基于PCB基板材料和电场应力控制单元的材料参数通过计算、仿真或测试的方法计算基板材料中各点的电场强度和空气中的电场强度；材料参数包括介电常数、体积电阻率；本实施例中，设置高压绕组与低压绕组之间的隔离工作电压为20kV，高压绕组采用2匝，低压绕组采用2匝，低压绕组分别设置在高压绕组的上层和下层，并采用过孔连接；高压绕组的2匝设置在PCB的内层并通过盲孔连接。选择相对介电常数为11的硅橡胶材料作为绝缘介质，其体积电阻率为5×10¹⁰Ω·m，设其初始厚度为6mm，包绕长度为30mm。通过有限元仿真得到PCB绝缘介质中的最高场强为8.5kV/mm，空气中的最高场强为1.95kV/mm。

步骤S400，判断所述基板材料中各点的电场强度和空气中的电场强度是否大于所述电场控制单元优化的设计阈值且电场分布均匀；本实施例中仿真得到PCB绝缘介质中的最高场强为8.5kV/mm小于最大电场设计强度12kV/mm，空气中的最高场强为1.95kV/mm小于空气的最大电场设计强度为2kV/mm。

步骤S500，若步骤S400中存在判断结果为大于或电场分布不均匀的情况，则重复步骤S300-步骤S400的方法增加电场应力控制单元的宽度或厚度重新设计，直至所述电场强度和空气中的电场强度小于或等于电场控制单元优化的设计阈值，获高压隔离平板变压器的高压绝缘设计参数；

步骤S600，依据所述高压绝缘设计参数制作高压隔离平板变压器，并在所述原副边的隔离电压工况下进行工作。

图6所示为采用本发明所提的PCB电场控制方法的仿真结果，图7所示为常规平板变压器结构的仿真结果。从图7可以看到，在高压绕组、低压绕组断开处的电场十分集中，空气中的场强(6.5kV/mm)远高于设置的电场强度阈值(2kV/mm)。从图6可以看到，采用了电场应力控制单元后，低压绕组断开处空气中的电场强度降低为＜1.95kV/mm，且PCB内部电场强度从高压绕组到低压绕组均匀分布，PCB绝缘介质中的电场强度最大为8.5kV/mm，满足设计的电场强度阈值。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压隔离平板变压器，其特征在于，所述变压器基于电路板构建，包括低压绕组、高压绕组、绝缘介质、磁芯和电场应力控制单元；

所述磁芯，贯通低压绕组和高压绕组，构成闭合磁路；

所述高压绕组，平行设置于磁芯上，高压绕组的位置重合且通过过孔连接；

所述低压绕组，平行设置于磁芯上的高压绕组上侧和下侧，且与高压绕组平行，低压绕组位置重合且通过过孔连接；

所述绝缘介质，设置于所有高压绕组之间、低压绕组之间和高压绕组与低压绕组之间；

所述电场应力控制单元，平行设置于电路板上侧和下侧，覆盖于低压绕组末端与高压绕组的重叠边沿。

2.根据权利要求1所述的高压隔离平板变压器，其特征在于，所述电场应力控制单元，采用高介电常数材料，通过表面粘贴、浇筑或热熔的方法稳固包绕于电路板外侧。

3.根据权利要求1所述的高压隔离平板变压器，其特征在于，所述电场应力控制单元，采用介电常数≥10的材料，可选取常规以橡胶为基材的应力控制带或应力控制管、半导体材料或非线性电阻材料。

4.根据权利要求1所述的高压隔离平板变压器，其特征在于，所述电场应力控制单元，等效为串联的高压电阻。

5.根据权利要求1所述的高压隔离平板变压器，其特征在于，所述电场应力控制单元，用于匀化所述高压绕组和所述低压绕组之间的电压分布，减小电场畸变，正常工作时表面等势线以平行于低压绕组边沿，呈均匀梯度排布。

6.根据权利要求1所述的高压隔离平板变压器，其特征在于，所述高压绕组，为位于电路板内层的，间隔设置的平行铜箔。

7.根据权利要求1所述的高压隔离平板变压器，其特征在于，所述高压绕组，相较于低压绕组多出出线端部分。

8.根据权利要求1所述的高压隔离平板变压器，其特征在于，低压绕组和高压绕组之间，由分布于电路板材料各层的多个电场控制铜箔组成，第1个电场控制铜箔与低压绕组相连，第n个电场控制铜箔与高压绕组相连，每个电场控制铜箔都有一个悬浮电位，且电位由高压绕组到低压绕组方向逐渐梯度降低。

9.根据权利要求1所述的高压隔离平板变压器，其特征在于，工作时高频电流在高压绕组中流通，并在磁芯中产生高频磁场，高频磁场进而在低压绕组中感生出高频电流。

10.一种高压隔离平板变压器电场应力控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于权利要求1-9任一项所述的高压隔离平板变压器，所述方法包括：

步骤S100，基于击穿场强、介电常数、损耗因子选取基板材料和介质厚度；

步骤S200，基于高压隔离平板变压器的原副边的隔离电压工况确定所述基板材料中各点的最大电场设计强度和空气最大电场设计强度，作为电场控制单元优化的设计阈值；

步骤S300，预设电场应力控制单元的宽度、厚度和材料，基于PCB基板材料和电场应力控制单元的材料参数，通过计算、仿真或测试的方法得到基板材料中各点的电场强度和空气中的电场强度；

步骤S400，判断所述基板材料中各点的电场强度和空气中的电场强度是否大于所述电场控制单元优化的设计阈值且电场分布均匀；

步骤S500，若步骤S400中存在判断结果为大于或电场分布不均匀的情况，则重复步骤S300-步骤S400的方法增加电场应力控制单元的宽度或厚度重新设计，直至所述电场强度和空气中的电场强度小于或等于电场控制单元优化的设计阈值且电场强度分布均匀，获高压隔离平板变压器电场应力的高压绝缘设计参数；

步骤S600，依据所述高压绝缘设计参数制作高压隔离平板变压器，并在所述原副边的隔离电压工况下进行工作。

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