CN115547677B - 一种大功率高频脉冲变压器绕制方法 - Google Patents

一种大功率高频脉冲变压器绕制方法 Download PDF

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Abstract

一种大功率高频脉冲变压器绕制方法属于变压器领域。本发明主要包含2个U型磁芯，U1、U2；偶数个I型磁芯；拼接成“长方框”型闭合磁路。2个初级绕组，每个初级绕组包含一个线圈；2个次级绕组；两个次级绕组中线圈个数相等；第一次级绕组中多个线圈序号是P1、P3、P5……P2n‑1，第二次级绕组中多个线圈序号是P2、P4、P6……P2n。本发明的磁路长度可根据电压等级、电流等级调整；次级绕组的连接方式可根据电压等级、电流等级组合，提高安全系数，减小了铁氧体磁芯的制造难度；在工作频率100kHz时，比较容易实现电压100kV，电流1A以上高频脉冲电源，或电流10000A，电压20V的高频脉冲电源，能应用于等离子体净化与等离子体烧结行业。

Description

一种大功率高频脉冲变压器绕制方法
技术领域
高频脉冲变压器分两种：降压型大功率高频脉冲变压器与升压型大功率高频脉冲变压器。
降压型大功率高频脉冲变压器，适用于高频宽脉冲等离子体电解，电镀，污水处理，等离子体发生器，对粉体材料的等离子体烧结，等离子体冶炼等高频开关电源中，高频全波整流电路的脉冲变压器；
升压型大功率高频脉冲变压器，适用于常压气体电离，高频宽脉冲等离子体净化，高压等离子体发生器，粒子加速器等高电压高频宽脉冲开关电源中的变压器。
背景技术
在实际工程应用中，80kHz，80kV的直流脉冲电源中，单体变压器输出电流0.025A左右，总功率仅有2kW；100kHz，20V的直流脉冲电源中，单体变压器输出电流仅有350A左右，功率仅有7kW。
降压型大功率高频脉冲变压器次级绕线导电截面积大，绕线首、尾之间距离比较大，漏磁、漏感大，效率低。
降压型大功率高频脉冲变压器初级线圈与次级线圈绕线之间的距离大，互感系数小，工作效率低。
降压型大功率高频脉冲变压器的磁芯结构尺寸约束，单体磁芯很难输出较高的功率。
降压型大功率高频脉冲变压器的初、次级绕线空间大于磁芯的磁场空间，变压器工作时，初、次级向磁芯外辐射电磁能，单体变压器对周围的支架、机壳产生严重的涡流。
小功率单体变压器通过串并联组合时，电路、磁路布置复杂。
升压型大功率高频脉冲变压器单体铁氧体磁芯尺寸受限，解决漏电、爬电的方案复杂。
升压型大功率高频脉冲变压器初级、次级电压差大，实际应用中电压差可达几百kV，初级绕组受次级升压型串扰，次级高电压对初级线圈放电；次级升压型对地电压差高于初级、次级的电压差，次级高电压对地放电。
升压型大功率高频脉冲变压器次级高电压铁氧体磁芯放电。
升压型大功率高频脉冲变压器次级高电压端对次级低电压端放电。
升压型大功率高频脉冲变压器漏磁、漏感大，效率低。
发明内容
1.一种大功率高频脉冲变压器绕制方法，其特征在于：
包含2个U型磁芯：M1、M2；偶数个I型磁芯；2个初级绕组，每个初级绕组包含一个线圈，第一初级绕组中的线圈定义S1，第二初级绕组中的线圈定义S2；2个次级绕组；两个次级绕组中线圈个数相等；第一次级绕组中多个线圈序号是P1、P3、P5……P2n-1，第二次级绕组中多个线圈序号是P2、P4、P6……P2n；
初级绕组线圈为螺线管形状，初级绕组线圈在螺旋绕制时，起始端在初级绕组线圈第一层的第一匝，在螺线管的一端；第一层最后一匝绕线在螺线管的另一端；绕满第一层后回绕第二层；第二层的最后一匝与第一层的第一匝在螺线管的同一端；初级绕组线圈每层匝数相等；初级绕组线圈绕偶数层，线圈的结尾端与起始端，在螺线管的同一端；
将U型或I型铁氧体磁芯拼接成“长方框”型闭合磁路；U型或I型铁氧体的磁路的导磁截面尺寸相等；“长方框”型闭合磁路两头放置U型磁芯；按输出功率等级在中间放置I型磁芯，增加磁路长度；“长方框”型闭合磁路的内框定义为磁环路内侧，“长方框”型闭合磁路的外框定义为磁环路外侧；
所有线圈都是绕制都按相同的时钟方向螺旋绕制，每个线圈都有一个起始端与一个结尾端；初级绕组线圈S1、S2匝数相等，尺寸相等；线圈S1与线圈S2绕制的匝数为偶数匝，绕制的层数为偶数层，第一线圈S1的起头端定义为S1-h；线圈S1的结尾端定义为S1-t；第二线圈S2的起头端定义为S2-h；线圈S2的结尾端定义为S2-t；线圈S1与线圈S2分别套装在“长方框”型闭合磁路的两个长边上；次级绕组线圈的总个数是偶数，次级绕组中每个线圈的编号分别定义为P1、P3、P5……P2n-1；P2、P4、P6……P2n；次级绕组中每个线圈匝数相等，尺寸相等；次级绕组中每个线圈的起头端命名格式为：P+编号+-h；结尾端命名格式为：P+编号+-t；
组装次级绕组中线圈时，次级绕组中线圈的起始端放置在磁环路内侧，次级绕组中线圈的结尾端放置在磁环路外侧；或次级绕组中线圈的起始端放置在磁环路外侧，次级绕组中线圈的结尾端放置在磁环路内侧；P1、P3、P5……P2n-1线圈依次套装在S1线圈上，P2、P4、P6……P2n线圈依次套装在S2线圈上，套装在S1与S2上的线圈间距相等，位置对称；P1、P3、P5……P2n-1线圈排布的长度与S1线圈的长度相等；P2、P4、P6……P2n线圈排布的长度与S2线圈的长度相等；每个次级线圈所包络初级线圈的匝数相等；
线圈S1与线圈S2串联：S1-t与S2-t连接，S1-h与S2-h分别连接到交变脉冲源的两端；或S1-h与S2-h连接，S1-t与S2-t分别连接到交变脉冲源的两端；线圈S1与线圈S2并联时：S1-t与S2-h连接在一起，然后与交变脉冲源的一端相连，S2-t与S1-h连接在一起，然后与交变脉冲源的另一端相连；S2-t与S1-h连接在一起，然后与交变脉冲源的一端相连，S1-t与S2-h连接在一起，然后与交变脉冲源的另一端相连；
次级绕组中线圈第一种接线方式：次级绕组中线圈P1起始端与结尾端，分别连接到第一个的桥式整流电路的两个输入端；线圈P2起始端与结尾端，分别连接到第二个的桥式整流电路的两个输入端；按此顺序，线圈P2n-1起始端与结尾端，分别连接到第2n-1个的桥式整流电路的两个输入端；线圈P2n起始端与结尾端，分别连接到第2n个的桥式整流电路的两个输入端；第一整流桥的正输出端与第二整流桥的负输出端串联，第二整流桥的正输出端与第三整流桥的负输出端串联，按此顺序，第2n-1整流桥的正输出端与第2n整流桥的负输出端串联；整流桥依次串联，输出电压等于2n个整流桥输出电压之和；
次级绕组中线圈第二种接线方式：次级绕组中的第一个线圈的P1-t端与第二个线圈的P2-t端串联；第一个线圈的起始端与第二个线圈的起始端分别连接到第一个全波整流电路的两个输入端；次级绕组中的第三个线圈的P3-t端与第四个线圈的P4-t端串联；第三个线圈的起始端与第四个线圈的起始端分别连接到第二个全波整流电路的两个输入端；按此顺序，第2n-1个线圈的P2n-1-t端与第2n个线圈的P2n-t端串联；第2n-1个线圈的P2n-1-h端与第2n个线圈的P2n-h端分别连接到一个全波整流电路的两个输入端；全波整流电路的两个输出端并联；输出电压与单个全波整流电路的输出电压相同。
进一步，使用铁氧体的相对磁导率在1800～2300之间，饱和磁感应强度大于0.5T的U型或I型铁氧体磁芯。
本发明的磁路长度可根据电压等级、电流等级调整；次级绕组的连接方式可根据电压等级、电流等级组合，提高安全系数，减小了铁氧体磁芯的制造难度；在工作频率100kHz时，比较容易实现电压100kV，电流1A以上高频脉冲电源，或电流10000A，电压20V的高频脉冲电源，能应用于等离子体净化与等离子体烧结行业。
附图说明
图1、高频脉冲变压器磁芯图
图2、高频脉冲变压器初级线圈
图3、升压型高频脉冲变压器次级线圈
图4、降压型高频脉冲变压器次级线圈
图5、升压型高频脉冲变压器总圈
图6、降压型高频脉冲变压器总圈
图7、初级线圈并联降压型高频脉冲变压器原理图
图8、初级线圈串联降压型高频脉冲变压器原理图
图9、初级线圈并联升压型高频脉冲变压器原理图
图10、初级线圈串联升压型高频脉冲变压器原理图
具体实施方式
本发明使用铁氧体的相对磁导率小于2300。饱和磁感应强度大于0.5T的U型或I型铁氧体磁芯，将U型或I型铁氧体磁芯拼接成“长方框”型闭合磁路；U型或I型铁氧体的磁路的导磁截面尺寸严格相等；“长方框”型闭合磁路两头放置U型磁芯。按输出功率等级在中间放置I型磁芯，增加磁路长度。
本发明主要包含2个U型磁芯，M1、M2；4个I型磁芯；U型磁芯底边尺寸160mm*40mm*40mm，两个立柱的尺寸80mm*40mm*40mm，I型磁芯的尺寸是200mm*40mm*40mm，将6个磁芯组成一个长方框闭合磁路，该磁路的导磁面面积1600mm2，磁路长度1440mm，长方框两个长边的长度是560mm，长方框磁芯上可安装线圈的长度共1120mm。
本发明中有两个初级绕组，每个初级绕组包含一个线圈，第一初级绕组中的线圈定义S1，第二初级绕组中的线圈定义S2；初级绕组的两个线圈S1与S2使用宽12mm，厚0.6mm的铜箔绕制2层，第一层顺时针绕42圈，匝间距1.2mm，第一层顺时针绕42圈后，做好层间绝缘，开始回绕第二层，第二层也绕42圈，两层共84圈，初级线圈的结尾端回绕到起始端的位置，初级S1与S2都是84圈。
在磁芯尺寸相同的情况下，升压型脉冲变压器与降压型脉冲变压器的初级线圈的结构尺寸、电磁参数相同。
在升压型脉冲变压器中有两个2个次级绕组；两个次级绕组中22个数线圈；第一次级绕组中22个线圈序号是P1、P3、P5……P43，第二次级绕组中22个线圈序号是P2、P4、P6……P44；每个次级线圈直径0.8mm的漆包线绕制6层，每层顺时针绕20圈，每层绕制完成后做好层间绝缘，再接着回绕第二层，共绕120圈。
在降压型脉冲变压器中有两个2个次级绕组；两个次级绕组中12个数线圈；第一次级绕组中6个线圈序号是P1、P3、P5……P11，第二次级绕组中6个线圈序号是P2、P4、P6……P12；每个次级线圈6层宽90mm，厚0.6mm的铜箔，按顺时针绕1圈，在线圈的首尾交叠处做好绝缘。
本发明中，所有线圈绕制都按相同的时钟方向绕制。所有线圈的起头端定义为同名端。线圈S1、S2匝数相等，尺寸相等，同名端方向相同。线圈S1与线圈S2绕制的匝数为偶数，重叠的层数为偶数，起头端和结尾端在变压器的同一侧。第一线圈S1的起头端定义为S1-h；线圈S1的结尾端定义为S1-t；线圈S2的起头端定义为S2-h；第二线圈S2的结尾端定义为S2-t；次级绕组线圈的总个数是偶数，次级绕组中每个线圈的编号分别定义为P1、P3、P5……P2n-1；P2、P4、P6……P2n；次级绕组中每个线圈匝数相等，尺寸相等；同名端方向相同。次级绕组中每个线圈的起头端命名格式为：P+编号+-h；结尾端命名格式为：P+编号+-t；
线圈S1与线圈S2分别套装在“长方框”型闭合磁路的两个长边上；P1、P3、P5……P2n-1线圈依次套装在S1线圈上，P2、P4、P6……P2n线圈依次套装在S2线圈上，套装在S1与S2上的线圈间距相等，位置对称，同名端方向相同。P1、P3、P5……P2n-1线圈排布的长度与S1线圈的长度相等；P2、P4、P6……P2n线圈排布的长度与S2线圈的长度相等。每个次级线圈所包络初极线圈的匝数相等。
线圈S1与线圈S2有两种串联方式，第一种方式，S1-t与S2-t短路连接，S1-h与S2-h连接到交变脉冲源的两端；第二种方式，S1-h与S2-h短路连接，S1-t与S2-t连接到交变脉冲源的两端。线圈S1与线圈S2并联时：S1-t与S2-h短路连接，S2-t与S1-h短路连接，这两个短接点连接到交变脉冲源的两端。
次级线圈分升压型与降压型两种接线方式。
升压型高频脉冲变压器次级的每个线圈连接单独的桥式整流电路，整流桥的输出端串联。
降压型高频脉冲变压器次级的第2n-1个线圈的P2n-1-t端与第2n个线圈的P2n-t端串联；第2n-1个线圈P2n-1-h端与第2n个线圈P2n-h端分别连接在全波整流电路的两个输入端；全波整流电路的两个输出端并联。
实验一
2个U型磁芯：160mm*120mm*40mm，4个I型磁芯：200mm*40mm*40mm；组成长*宽*高＝640mm*160mm*40mm的长方框型闭合磁路；2个初级线圈S1、S2；各84匝；44个次级线圈，各120匝；交流脉冲输入50kHz；输出使用桥式整流电路，整流桥输出串联。电源输出的最高电压80kV；输出电流250mA；输出功率20kW，转换效率97％。
实验二
2个U型磁芯：160mm*120mm*40mm，4个I型磁芯：200mm*40mm*40mm；组成长*宽*高＝640mm*160mm*40mm的长方框型闭合磁路；2个初级线圈S1、S2；各48匝；12个次级线圈P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12，各1匝；P1与P2串联，P3与P4串联，P5与P6串联，P7与P8串联，P9与P10串联，P11与P12串联，交流脉冲输入50kHz；输出使用全波电路，整流输出并联。电源输出的最高电压20V；输出电流6000A；输出功率120kW，转换效率97％。

Claims (2)

1.一种大功率高频脉冲变压器绕制方法，其特征在于：
包含2个U型磁芯：M1、M2；偶数个I型磁芯；2个初级绕组，每个初级绕组包含一个线圈，第一初级绕组中的线圈定义S1，第二初级绕组中的线圈定义S2；2个次级绕组；两个次级绕组中线圈个数相等；第一次级绕组中多个线圈序号是P1、P3、P5……P2n-1，第二次级绕组中多个线圈序号是P2、P4、P6……P2n；
初级绕组线圈为螺线管形状，初级绕组线圈在螺旋绕制时，起始端在初级绕组线圈第一层的第一匝，在螺线管的一端；第一层最后一匝绕线在螺线管的另一端；绕满第一层后回绕第二层；第二层的最后一匝与第一层的第一匝在螺线管的同一端；初级绕组线圈每层匝数相等；初级绕组线圈绕偶数层，线圈的结尾端与起始端，在螺线管的同一端；
将U型或I型铁氧体磁芯拼接成“长方框”型闭合磁路；U型或I型铁氧体的磁路的导磁截面尺寸相等；“长方框”型闭合磁路两头放置U型磁芯；按输出功率等级在中间放置I型磁芯，增加磁路长度；“长方框”型闭合磁路的内框定义为磁环路内侧，“长方框”型闭合磁路的外框定义为磁环路外侧；
所有线圈都是绕制都按相同的时钟方向螺旋绕制，每个线圈都有一个起始端与一个结尾端；初级绕组线圈S1、S2匝数相等，尺寸相等；线圈S1与线圈S2绕制的匝数为偶数匝，绕制的层数为偶数层，第一线圈S1的起头端定义为S1-h；线圈S1的结尾端定义为S1-t；第二线圈S2的起头端定义为S2-h；线圈S2的结尾端定义为S2-t；线圈S1与线圈S2分别套装在“长方框”型闭合磁路的两个长边上；次级绕组线圈的总个数是偶数，次级绕组中每个线圈的编号分别定义为P1、P3、P5……P2n-1；P2、P4、P6……P2n；次级绕组中每个线圈匝数相等，尺寸相等；次级绕组中每个线圈的起头端命名格式为：P+编号+-h；结尾端命名格式为：P+编号+-t；
组装次级绕组中线圈时，次级绕组中线圈的起始端放置在磁环路内侧，次级绕组中线圈的结尾端放置在磁环路外侧；或次级绕组中线圈的起始端放置在磁环路外侧，次级绕组中线圈的结尾端放置在磁环路内侧；P1、P3、P5……P2n-1线圈依次套装在S1线圈上，P2、P4、P6……P2n线圈依次套装在S2线圈上，套装在S1与S2上的线圈间距相等，位置对称；P1、P3、P5……P2n-1线圈排布的长度与S1线圈的长度相等；P2、P4、P6……P2n线圈排布的长度与S2线圈的长度相等；每个次级线圈所包络初级线圈的匝数相等；
线圈S1与线圈S2串联：S1-t与S2-t连接，S1-h与S2-h分别连接到交变脉冲源的两端；或S1-h与S2-h连接，S1-t与S2-t分别连接到交变脉冲源的两端；线圈S1与线圈S2并联时：S1-t与S2-h连接在一起，然后与交变脉冲源的一端相连，S2-t与S1-h连接在一起，然后与交变脉冲源的另一端相连；S2-t与S1-h连接在一起，然后与交变脉冲源的一端相连，S1-t与S2-h连接在一起，然后与交变脉冲源的另一端相连；
次级绕组中线圈第一种接线方式：次级绕组中线圈P1起始端与结尾端，分别连接到第一个的桥式整流电路的两个输入端；线圈P2起始端与结尾端，分别连接到第二个的桥式整流电路的两个输入端；按此顺序，线圈P2n-1起始端与结尾端，分别连接到第2n-1个的桥式整流电路的两个输入端；线圈P2n起始端与结尾端，分别连接到第2n个的桥式整流电路的两个输入端；第一整流桥的正输出端与第二整流桥的负输出端串联，第二整流桥的正输出端与第三整流桥的负输出端串联，按此顺序，第2n-1整流桥的正输出端与第2n整流桥的负输出端串联；整流桥依次串联，输出电压等于2n个整流桥输出电压之和；
次级绕组中线圈第二种接线方式：次级绕组中的第一个线圈的P1-t端与第二个线圈的P2-t端串联；第一个线圈的起始端与第二个线圈的起始端分别连接到第一个全波整流电路的两个输入端；次级绕组中的第三个线圈的P3-t端与第四个线圈的P4-t端串联；第三个线圈的起始端与第四个线圈的起始端分别连接到第二个全波整流电路的两个输入端；按此顺序，第2n-1个线圈的P2n-1-t端与第2n个线圈的P2n-t端串联；第2n-1个线圈的P2n-1-h端与第2n个线圈的P2n-h端分别连接到一个全波整流电路的两个输入端；全波整流电路的两个输出端并联；输出电压与单个全波整流电路的输出电压相同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用铁氧体的相对磁导率在1800～2300之间，饱和磁感应强度大于0.5T的U型或I型铁氧体磁芯。
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