CN202042342U - 高频升压变压器和递进型高频升压整流变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的高频升压变压器，初级绕组和次级绕组同名端同端、内、外经绝缘屏蔽层径向重叠设置在铁芯上，次级绕组包括有若干与初级绕组绕向和螺线方向相同、沿铁芯轴线同轴向顺序绝缘排列的绕组段。同时提供的递进型高频升压整流变压器，其初级绕组和次级绕组结构与高频升压变压器相同，按激励方向、每一绕组段均串联一快速恢复二极管后与一电容并联构成一绕组回路单元，若干绕组回路单元依次串联构成次级绕组。本技术方案具有体积小、变压输出效率高、高压输出并保持高压输出的可靠性和稳定性的技术优点。可实现高压、以至特高压输出工作，输出电压可达到十几万，几十万以及百万伏的输出值。

Description

高频升压变压器和递进型高频升压整流变压器

技术领域

本实用新型申请涉及的是高频升压变压器和高频升压整流变压器。

背景技术

初级输入采用高频信号以得到次级高电压输出，实现缩小变压器体积获得高电压输出技术目的，是科技技术人员推出高频高压变压器产品的技术初衷。高频高压变压器广泛应用于各个技术领域。现有高频变压器面临的关键技术问题是如何削弱变压器自身分布参数带来的不良影响，而且技术人员所追求的是最好完全避免自身分布参数不良影响。但变压器漏感和分布电容的存在不可避免的，尤其是工作在高频条件下，次级绕组侧由此产生无效电流，造成变压器工作效率低，且自身发热严重。减小漏感和分布电容、降低分布参数对变压器性能的影响，已有技术中虽设计采用多种技术手段，但削弱分布参数的影响技术解决手段非常有限，而且所取得的技术效果也不足以弥补由此而引起的其它技术问题。另外，现有的高频变压器自身获得万伏电压、几十万伏的变压高压输出非常困难，只得借助倍压整流电路辅助获得高电压输出，因此使体积变得庞大，工作不稳定和发热等现象趋势加剧。现有高频高压变压器，次级绕组有分层、分段或分线包绕制形式，以次级绕组结构为例，次级绕组分为多个线包，各线包之间串联连接，每个线包从最内层开始逐层向外多层绕制，内外相邻两层的电气连接方式主要有“]”型、“∠”型、“Z”型三种绕组结构。多层间往复回线绕制结构，绕组同名端与异名端层间重叠，使得层间空间感应电场抵消叠加，初、次级绕组耦合效率降低；另外，还存在正向输入激励耦合维持不足、反向输入回程时段瞬间泄放出现大量耦合损失的技术问题，也导致变压器工作效率进一步下降。由于以上多种因素，导致高压侧电压值与理论值相差甚远，高频变压器性能极差，次级绕组、铁芯以及屏蔽层过流过热，高压输出能力低下，抑制了高压输出能力。因此设计推出尤其是高压、特高压高频变压器就成为本技术领域技术人员共同面对的技术难题。

发明内容

本实用新型专利申请的发明目的在于提供一种以小体积构成实现高变压效率、大变压比的高频升压变压器和递进型高频升压整流变压器，它能够可靠的输出高压以及特高压值。

本实用新型专利申请提供的高频升压变压器技术方案，其技术方案是：一种高频升压变压器，初级绕组和次级绕组同名端同端、内、外经绝缘屏蔽层径向重叠设置在铁芯上，次级绕组包括有若干与初级绕组绕向和螺线方向相同、沿铁芯轴线同轴向顺序绝缘排列的绕组段。

本实用新型专利申请还提供有递进型高频升压整流变压器，它的初级绕组和次级绕组同名端同端、内、外经绝缘屏蔽层径向重叠设置在铁芯上，次级绕组包括有若干与初级绕组绕向和螺线方向相同、沿铁芯轴线同轴向顺序绝缘排列的绕组段，按激励方向、每一绕组段均串联一快速恢复二极管后与一电容并联构成一绕组回路单元，若干绕组回路单元依次串联构成次级绕组。

在上述的整体技术方案中，所述的若干绕组回路单元依次串联构成一绕组模块，每一绕组模块串联高压快速恢复二极管再并联电容后依次串联构成次级绕组。

在上述整体技术方案中，所述的绕组段均为环形绕组模片，它是由固定复合的三层绝缘膜环片和盘绕设置在三层绝缘膜环片之间绝缘间隔的两层线圈构成，所述的两层线圈于中层绝缘膜环片两侧、由绝缘膜环片内缘起始由内向外互为反向绕向绕制的两线圈，两层线圈内圈端电连接构成一完整连续绕组。所述的两层线圈可以由一绕组线绕制而成，即该绕组线中部跨中层绝缘膜环片内边缘在中层绝缘膜环片两侧面起始由内至外以互为反向绕向绕制而成的两层线圈。

在上述的整体技术方案中，所述的绕组段为两外侧固定复合有绝缘外层的环形柔性线路板构成的环形绕组模片，环形柔性线路板的两侧面上、由内至外以互为反向绕向印制有两覆铜线圈，两线圈的内圈端电连接构成一完整连续绕组。

在上述的整体技术方案中，初级绕组和次组绕组之间的屏蔽层为梳形屏蔽片，该梳形屏蔽片的梳片与铁芯轴向平行。

本实用新型的高频升压变压器和递进型高频升压整流变压器从根本上解决了现有高频变压器绕组绕制结构和绕组电路结构出现的因空间感应电场抵消叠加、反向输入回程损失、导致耦合度弱、变压比极低、输出压值能力不足等技术问题。变压器自身分布参数在本技术方案中不再被视为清除对象，其次级绕组所采取的绕制和顺序排布结构，将变压器的分布参数与快速恢复二极管和电容器件的电路组成结合起协同作用，由此各绕组段的空间感应电场逐梯段垒加、递增并保持，激励耦合变压效率大幅度提高，其变压比大幅度提高；在本构成中，变压器自身分布参数不仅不再是必须根除的不良因素，它们的存在与快速恢复二极管和电容器件共同协同，在次级绕组侧起到耦合递进保持正向激励、阻止反向回程泄放的作用，避免输入回程损失，具有提高变压输出效率、具有高压输出、保持高压输出的可靠性和稳定性的技术优点。特别是采用片式绕组结构，体积指标更是大幅度缩小，实现小体积变压器高压、特高压输出的技术目的。片式绕组结构，每一多匝数绕组段在铁芯轴向上只有单匝绕组、甚至是柔性线路板与绝缘膜叠加厚度轴向尺寸，将匝数庞大的原线包结构缩减为多片轴向叠垒结构，变压器体积被极限缩小、变压耦合输出效率大幅度提高，可实现高压、以至特高压输出工作，输出电压可达到十几万，几十万以及百万伏的输出值。本技术方案还克服了高频高压变压器自身发热、技术指标不稳定等技术问题。本产品技术应用领域广泛。

附图说明

图1是本高压高频变压器的绕组接线原理图

图2、图3、图4分别是本递进型高频升压整流变压器的几种具体实施例接线原理图，其中图3和图4分别是负高压高频整流变压器和正高压高频整流变压器的接线原理图

图5是图3的负高频高压整流变压器和图4的正高频高压高压整流变压器连接构成的直流高压电力变压器接线原理图

图6是初级绕组的绕制结构示意图

图7是以环形绕组模片形式的绕组段的部件轴向展开图

图8是环形绕组模片叠垒时圆心角相错的结构示意图

图9是次级绕组为单层结构的递进型高频升压整流变压器立体剖视图，若没有连接设置相应的二极管和电容的器件，则是高频升压变压器立体剖视结构图

图10是本递进型高频升压整流变压器的立体剖视结构图，若没有连接设置相应的二极管和电容的器件，则是高频升压变压器立体剖视结构图

图11是与图5对应的直流高压电力变压器立体剖视结构图。

具体实施方式

本实用新型公开的高频升压变压器，如图1和图9、图10省去相应的二极管和电容连接的所示结构，初级绕组N1和次级绕组N2同名端同端、内、外经绝缘屏蔽层52径向重叠设置在铁芯50上，次级绕组N2包括有若干与初级绕组绕向相同和螺线方向相同、沿铁芯轴线同轴向顺序绝缘排列的绕组段n_n。

在上述的高频升压变压器的基础上，本实用新型还提供了一种递进型高频升压整流变压器，如图2、图3、图4、图5以及图9和图10所示，它包括有铁芯50、初级绕组N1和次级绕组N2，初级绕组N1和次级绕组N2的同名端同端，内、外经绝缘屏蔽层重叠设置在铁芯50上，初级绕组N1与铁芯50之间设置绝缘内筒层51，相同绕向和螺线方向的初级绕组N1和次级绕组N2在铁芯50上内、外共同占据同一轴向长度，且同名端同端设置，由绝缘材料，如环氧树脂灌封制成。

初级绕组N1单层绕制在套装于铁芯50的绝缘内筒层51上，初级绕组N1在铁芯50的占据长度应与次级绕组N2在铁芯50的占据长度相等或尽可能接近。初级绕组N1在铁芯50上单层绕制。若初级绕组匝数过多，受铁芯50长度限制，无法在铁芯上形成单层绕制结构时，图6示意给出了一种具体实施结构，初级绕组N1的线圈匝数按铁芯50有效长度所能绕制的圈数为线圈组数分为若干线圈组，最好是以铁芯有效长度所能绕制圈数为线圈组数均分初级绕组的线圈匝数，由铁芯50一端起始，第一道线圈组10由内向外同心径向盘绕本道线圈匝数后形成第一道线圈组，然后进入下一铁芯轴向位作为第二道线圈组的绕制位，绕制方向不变，由外向内同心径向绕制本道线圈组匝数，形成第二道线圈组，依此方法，沿铁芯轴向推进反复绕制构成整个初级绕组N1，该绕制结构彻底避免了原绕组内层线圈末端牵回内层线圈始端开始外层线圈绒线的绕制方法所导致的各层线圈空间感应电场叠加抵消、耦合效率低下的技术问题。

次级绕组N2分为若干绕组段n_n，各绕组段n_n沿铁芯同一螺线方向、以相同绕向、按同名端与异名端依次相邻顺序排列套装设置在铁芯初级绕组N1的绝缘外层和屏蔽层52外，如图9和图10所示，次级绕组N2与初级绕组N1之间具有所需的绝缘距离，相邻绕组段之间设置绝缘部件。如图2所示，按激励方向，每一绕组段n_n均串联一快速恢复二极管D₂后与电容C₁并联构成一绕组回路单元，若干连续排列的绕组回路单元依次串联组成次级绕组N2。若次级绕组N2匝数多，尤其是要设计成为输出高压值或特高压值时，为满足这一技术需求，图3和图4所示，将若干连续排列的绕组回路单元依次串联组成一绕组模块Zm，每一绕组模块Zm串联一高压快速恢复二极管D₃后，再依次串联连接构成次级绕组N₂，为了增强每一绕组模块的储能和均压作用，每一串联高压快速恢复二极管D₃的绕组模块的两端再并联有电容C₂，该次级绕组N₂的同名端和初级绕组N₁的同名端位于铁芯的同一端，则次级绕组的总匝数S为每一绕组段绕组匝数s与绕组段数n和绕组模块数m的积，即S＝s*n*m。快速恢复二极管D₂和电容C₁的耐压值均应满足本绕组段的耐压设计值，高压快速恢复二极管D₃和电容C₂的耐压值应满足本绕组模块的耐压设计值。以图4的正高频高压整流变压器为例，当初级正向激励时，次级绕组N2的空间感应电场沿绕组段在铁芯轴向设置顺序呈逐段叠加递增，由于快速恢复二极管D₂具有整流和止逆作用，绕组段与绕组段之间、绕组段内线圈之间的杂散分布电容和每一绕组回路单元的电容C₁、每一绕组模块的电容C₂的总合作用下，将各绕组段空间感应电场逐段递增、保持、贮存，初级侧信号反向回程时，快速恢复二极管D₂、D₃快速关断，阻断、扼制电荷由电容C₁、电容C₂和杂散分布电容泄放，从而保持稳定的正向输出，避免了反向耦合损失，因而能够实现稳定的高压、特高压输出。快速恢复二极管D₃的另一作用是保护作用，即防止反向高压击穿绕组回路单元中的快速恢复二极管D₂和电容C₁。

将本递进型高频升压整流变压器还可以应用作为远程直流电力输送的直流高压电力变压器，其绕组连接如图5所示，其总装结构如图11所示，图中左侧和右侧分别是负高频高压整流变压器20和正高频高压高压整流变压器21，安装使用时，初级绕组N1、N1′串联、次级绕组N2、N2′的地端并接，负高频高压整流变压器20和正高频高压高压整流变压器21分别交替工作于初级高频信号的反向激励和正向激励时段，负高压输出端和正高压输出端连接远程电力输送线，作为电力变压器应用，变压效率高，它可直接将电压升压输出至百万伏，连接远程电力输送线路。

针对上述的绕组段可以采用如下部件结构：

所述的绕组段n_n具有相向的轴向螺线方向、具有相同绕向的单层绕组，顺序排列设置在与初级绕组N1之间的绝缘外层和屏蔽层52外，这更适合于作为高频升压变压器，如图9所示。

所述各绕组段的另一实施结构为环形绕组模片，图7给出的是一环形绕组模片的部件轴向展开图，它由固定复合的三层绝缘膜环片31、32、33和盘绕设置在三层绝缘膜环片31、32、33之间绝缘间隔的两层线圈a、b构成，所述的两层线圈即图1、图3、图4和图5中的1a和1b、2a和2b以及na和nb，位于中层绝缘膜环片32的两侧、由绝缘膜环片内缘起始由内向外互为反向绕向的线圈，两层线圈内圈端电连接构成一完整连续绕组，两层线圈也就相当于一绕组某一中间点的两侧线圈段。中层绝缘膜环片将两层线圈a、b绝缘间隔，与两外绝缘膜环片固定复合在一起构成环形绕组模片。两层线圈a、b也可以由一绕组线绕制而成，即该绕组线中部跨中层绝缘膜环片内边缘，分别在中层绝缘膜环片两侧面由内起始向外以互为反向绕向而成的两层线圈。所需数量的环形绕组模片同向、沿铁芯轴向垒叠、依次同向串联，如图10和图11所示，叠合的环形绕组模片所形成的中央管形空间则成为设置铁芯50、初级绕组N1以及铁芯50与初级绕组N1之间的绝缘内筒层51、初级绕组N1与次级绕组N2间的绝缘屏蔽层52的设置腔，环形绕组模片的两层线圈自身连接并通过环形绕组模片的多层叠垒连接等效形成了绕组及其螺线方向。高频升压变压器的次级绕组也可以采用该环形绕组模片的叠垒结构。两层线圈的外圈引出端串联快速恢复二极管D₂后并联电容C₁，使环形绕组模片构成一绕组回路单元。若干环形绕组模片在铁芯轴向上按同名端与异名端相邻顺序依次叠合。该变压器结构，多匝环形绕组模片在铁芯轴向上只占有不大于两根绕组线的径向尺寸，远远小于目前线包所占据的铁芯轴向空间尺寸，体积被极限缩小，为绕组匝数的增加提供了空间，其耦合和变压效率高，输出整流高压值也大幅度提升。由环氧树脂等绝缘材料充满灌封包裹铁芯50、初级绕组N1、绝缘内筒层51、绝缘屏蔽层52和次级绕组N2，次级绕组的总匝数S为每一绕组段的两层线圈匝数S_a+S_b的和与绕组段数n和绕组模块数m的积，即S＝(S_a+S_b)*n*m。

在本实施结构中，快速恢复二极管D₂和电容C₁的实际部件占据于环形绕组模片外缘处略凸出的外缘凸面30上，环形绕组模片一一叠垒时，按照二极管D₂和电容C₁所占位置，周向相错偏转不大于其凸面30所占的圆心角，以使每一环形绕组模片上的电子元件对叠垒后的次级绕组轴向尺寸不产生明显影响。为提高次级绕组空间感应电场递增叠加和反向阻断效果，提高高压效率，可靠、稳定保持高压输出，应该在次级绕组更短的分段处串联快速恢复二极管，在本实施结构中，每一环形绕组模片的两层线圈的内圈端之间串联设置有这样作用的快速恢复二极管D₁。

绕组段的结构还可以采用如下的实施结构：绕组段是由环形柔性线路板及环形柔性线路板两侧面覆有的绝缘膜外层构成的环形绕组模片。所述的环形柔性线路板两侧面分别制有一层线圈，即在环形柔性线路板的两侧面是绕向互为反向覆铜印制有由内向外同心渐开盘绕的覆铜线圈，两层覆铜线圈的内圈端处于环形柔性线路板的上、下重合位，并经环形柔性线路板的穿孔贯通连接，构成一完整连续绕组，两覆铜线圈也就相当于一绕组某一中间点的两侧线圈段。相应数量的环形绕组模片同向沿铁芯轴向一一叠合，若干叠垒的环形绕组模片中部形成中央管形空间，该中央管形空间成为设置铁芯50、初级绕组N1以及铁芯50与初级绕组N1之间的绝缘内筒层51、初级绕组N1与次级绕组N2间的绝缘屏蔽层52的设置腔，环形绕组模片的两层线圈自身连接并通过环形绕组模片的多层叠垒连接等效形成了绕组及其螺线方向。高频升压变压器的次级绕组也可以采用该环形绕组模片的叠垒结构。其两层线圈的外圈引出端串联快速恢复二极管D₂后并联电容C₁，快速恢复二极管D₂和电容C₁实际部件占据于环形绕组模片外缘处略凸出的外缘凸面30上，环形绕组模片一一叠垒时，根据二极管D₂和电容C₁所占位置，周向相错偏转不大于凸面30所占的圆心角，以使每一环形绕组模片上的电子元件对叠垒后次级绕组的轴向尺寸不产生明显影响。为提高次级绕组的空间感应电场递增叠加和回程阻断效果，提高高压效率，可靠、稳定保持高压输出，应该在次级绕组的更短分段处串联快速恢复二极管，如图7和图8所示，每一环形绕组模片的两层覆铜线圈的内端之间串联一快速恢复二极管D₁，即一侧面的覆铜线圈的内圈端贯通至环形柔性线路板的另一侧面，与该侧面的覆铜线圈的内圈端之间串联一快速恢复二极管D₁。同样，为使内缘的快速恢复二极管D₁部件在环形绕组模片叠垒后对次级绕组的轴向尺寸不产生明显的影响，内缘的二极管部件随外缘的部件相错布置亦相错布置。

上述的环形绕组模片可以是圆环片、方环片和矩形环片等环片。

为尽量避免初、次级绕组N1、N2耦合的感应电磁场由铁芯开口端分散、流失而降低耦合效果，铁芯可以是具有气隙开口的U形铁芯、UU形铁芯、EI形铁芯或EE形铁芯，初级绕组N1和次级绕组N2内、外绝缘屏蔽设置在U形铁芯的一侧芯棒上，空间感应电磁场由另一侧芯棒形成回路，从而防止空间感应电磁场分散和流失，同时铁芯间隙还避免了涡流的形成，消除涡流损失。初级绕组N1与次级绕组N2之间、次级绕组N2与外侧芯棒之间由灌封的绝缘树脂和绝缘骨架所形成的厚度间距来保证绝缘距离。同理，实现上述技术目的的另一铁芯结构是双套芯棒，如图9、图10所示，初级绕组N1和次级绕组N2内、外绝缘屏蔽设置在主芯棒50′上，外芯棒50″与主芯棒50′平行设置在次级绕组N2外，主芯棒50′的横截面积和外芯棒50″的横截面积总和相等或相近。对于图11的由负高频高压高压整流变压器和正高频高压高压整流变压器构成的直流电力高压变压器，两变压器铁芯50平行相近设置，同样可以起到避免空间感应电磁场分散和流失的技术效果。

在本实施结构中，为解决变压器工作中屏蔽层发热、导致变压器工作稳定性和可靠性差的技术问题，初级绕组N1和次组绕组N2之间的屏蔽层52采用梳式屏蔽片，如图9、图10和图11所示，该梳形屏蔽片卷绕设置于初级绕组N1与次级绕组N2之间，其梳片55与铁芯轴向平行。经实验证明，在保持原屏蔽作用的同时，不再产生发热现象。

Claims (10)

1.一种高频升压变压器，其特征在于初级绕组和次级绕组同名端同端、内、外经绝缘屏蔽层径向重叠设置在铁芯上，次级绕组包括有若干与初级绕组绕向和螺线方向相同、沿铁芯轴线同轴向顺序绝缘排列的绕组段。

2.一种递进型高频升压整流变压器，其特征在于初级绕组和次级绕组同名端同端、内、外经绝缘屏蔽层径向重叠设置在铁芯上，次级绕组包括有若干与初级绕组绕向和螺线方向相同、沿铁芯轴线同轴向顺序绝缘排列的绕组段，按激励方向、每一绕组段均串联一快速恢复二极管后与一电容并联构成一绕组回路单元，若干绕组回路单元依次串联构成次级绕组。

3.根据权利要求2所述的递进型高频升压整流变压器，其特征在于若干绕组回路单元依次串联构成一绕组模块，每一绕组模块串联高压快速恢复二极管(D₃)再并联电容(C₂)后依次串联构成次级绕组。

4.根据权利要求2所述的递进型高频升压整流变压器，其特征在于初级绕组(N1)的线圈匝数按铁芯(50)有效长度所能绕制的圈数为线圈组数分为若干线圈组，由铁芯(50)一端起始，第一道线圈组由内向外同心径向盘绕本道线圈匝数后形成第一道线圈组，然后进入下一铁芯轴向位作为第二道线圈组的绕制位，绕制方向不变，由外向内同心径向绕制本道线圈组匝数，形成第二道线圈组，依此方法，沿铁芯轴向推进反复绕制构成整个初级绕组。

5.根据权利要求2所述的递进型高频升压整流变压器，其特征在于所述的绕组段均为环形绕组模片，它是由固定复合的三层绝缘感膜环片和盘绕设置在三层绝缘感膜环片之间绝缘间隔的两层线圈构成，所述的两层线圈于中层绝缘膜环片两侧、由绝缘膜环片内缘起始由内向外互为反向绕向绕制的两线圈，两层线圈内圈端电连接构成一完整连续绕组。 

6.根据权利要求2所述的递进型高频升压整流变压器，其特征在于所述的绕组段为两外侧固定复合有绝缘外层的环形柔性线路板构成的环形绕组模片，环形柔性线路板的两侧面上、由内至外以互为反向绕向分别印制有两覆铜线圈，两线圈的内圈端电连接构成一完整连续绕组。

7.根据权利要求5或6所述的递进型高频升压整流变压器，其特征在于两线圈内端之间串联一快速恢复二极管(D₁)。

8.根据权利要求2所述的递进型高频升压整流变压器，其特征在于快速恢复二极管(D₂)和电容(C₁)的实际部件占据于环形绕组模片外缘处略凸出的外缘凸面(30)上，按照二极管(D₂)和电容(C₁)所占位置，环形绕组模片周向相错偏转不大于凸面所占圆心角叠垒。

9.根据权利要求2所述的递进型高频升压整流变压器，其特征在于初级绕组和次组绕组之间的屏蔽层(52)为梳形屏蔽片，该梳形屏蔽片的梳片(55)与铁芯轴向平行。

10.根据权利要求2所述的递进型高频升压整流变压器，其特征在于设置于次级绕组之外设有外芯棒(50″)。 

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