DE4344183A1

DE4344183A1 - High voltage transformer and use

Info

Publication number: DE4344183A1
Application number: DE4344183A
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl Ing Scherb
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1993-12-23
Publication date: 1995-06-29
Also published as: EP0660344A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator mit mindestens einer in einer Isoliermasse eingebetteten Sekundärwicklung.The invention relates to a high-voltage transformer at least one embedded in an insulating compound Secondary winding.

Ein solcher Hochspannungstransformator ist bekannt aus EP 0 105 942 B1. Um Überschläge an Hochspannungstransformatoren zu vermeiden, werden deren Wicklungen in Isoliermassen eingegossen. Die Lebensdauer dieser Isoliermassen und damit die Funktionsfähigkeit der Hochspannungstransformatoren ist stark abhängig von der elektrischen Beanspruchung, z. B. durch Überschläge und unkontrollierte Entladungen.Such a high-voltage transformer is known from EP 0 105 942 B1. To avoid flashovers on high voltage transformers avoid their windings in insulating materials poured. The service life of these insulating materials and thus is the functionality of the high voltage transformers highly dependent on the electrical stress, e.g. B. by Arcing and uncontrolled discharges.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, Maßnahmen zu treffen, die die elektrische Beanspruchung dieser Isoliermassen, insbesondere in kritischen Druckbereichen, vermindern. Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche zeigen Weiterbildungen bzw. vorteilhafte Verwendungen auf.The object of the present invention is therefore to take measures meet the electrical stress of this Insulating compounds, especially in critical pressure areas, Reduce. This task is carried out by the measures Claim 1 solved. The other claims show Further training or advantageous uses.

Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen: Hochspannungstransformatoren für Raumfahrtanwendungen, z . B. zur Versorgung von Wanderfeldröhren, müssen besonderen Anforderungen genügen. Um aus kleinen Spannungen, z. B. aus Solarzellen, hohe Gleichspannungen zu erzeugen, werden Schaltregler mit nachgeschalteten Hochspannungstransformatoren und Gleichrichterelementen sowie gegebenenfalls Spannungsvervielfacherstufen verwendet. Die Schaltregler werden mit relativ hohen Schaltfrequenzen - 10 kHz bis 100 kHz - betrieben, damit Induktivitäten, Kapazitäten sowie das Kernmaterial bezüglich ihres Gewichtes klein gehalten werden können. Bedingt durch die relativ hohen Schaltfrequenzen treten insbesondere im Zwischendruckbereich zwischen Atmosphärendruck und Weltraumbedingungen (Vakuum) bereits bei niedrigen Wechselspannungen (250 V bei 20 kHz Schaltfrequenz) im Paschenminimum Dauerglimmentladungen auf. Wenn in einem solchen Druckbereich von 100 h Pa bis 10-2 h Pa ein Betrieb über mehrere Stunden zugelassen sein soll, kann die Isolierung geschädigt und damit die Lebensdauer eines solchen Hochspannungstransformators verringert werden. Durch die Maßnahmen der Erfindung werden solche Glimmentladungen im kritischen Druckbereich vermieden.The invention is based on the following findings: High voltage transformers for space applications, e.g. B. for the supply of traveling wave tubes, must be special Requirements met. To from small tensions, e.g. B. from Solar cells are used to generate high DC voltages Switching regulator with downstream high-voltage transformers and rectifier elements and, if necessary Voltage multiplier stages used. The switching regulator are with relatively high switching frequencies - 10 kHz to 100 kHz - operated so that inductors, capacitors and the Core material can be kept small in terms of their weight can. Due to the relatively high switching frequencies occur in particular in the intermediate pressure range Atmospheric pressure and space conditions (vacuum) already at low AC voltages (250 V at 20 kHz switching frequency) permanent glow discharges in the Paschen minimum. If in one such a pressure range from 100 h Pa to 10-2 h Pa an operation The insulation can be approved for several hours damaged and thus the life of such High voltage transformer can be reduced. Through the Measures of the invention are such glow discharges critical pressure area avoided.

Anhand der Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigenBased on the drawings, embodiments of the Invention explained in more detail. Show it

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Hochspannungstransformators nach der Erfindung, Fig. 1 is a sectional view of a high-voltage transformer according to the invention,

Fig. 2 die Beschaltung des Hochspannungstransformators mit Gleichrichterelementen. Fig. 2 shows the wiring of the high-voltage transformer with rectifier elements.

Den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Hochfrequenztransformators nach der Erfindung zeigt Fig. 1 in einer Schnittdarstellung. Der zylindrische Transformatorkern KE ist von einer Primärwicklung w1 umgeben, die in Isoliermaterial eingebettet ist. Um diese Primärwicklung w1 ist ein metallischer Schirm S1 gelegt. Er ist mit einem Transformatorgehäuse bzw. -sockel SO leitend verbunden. Über diesem metallischen Schirm befindet sich die Hauptisolationsschicht HW, beispielsweise in Epoxydharz eingegossenes Makrolon. Die Hauptisolationsschicht ist von der oder den Sekundärwicklungen w2 umgeben. In Fig. 1 sind mehrere Sekundärwicklungen vorgesehen, die jeweils in Wicklungskammern K eines Wicklungsträgers WT untergebracht sind. Die einzelnen konzentrisch zum Kern KE angeordneten Lagenwicklungen LW der Sekundärwicklungen w2 sind mitsamt dem Wicklungsträger in die Isoliermasse IM eingebettet, bzw. mit dieser vergossen.The basic structure of an embodiment of the high-frequency transformer according to the invention is shown in FIG. 1 in a sectional view. The cylindrical transformer core KE is surrounded by a primary winding w1, which is embedded in insulating material. A metallic screen S1 is placed around this primary winding w1. It is conductively connected to a transformer housing or base SO. The main insulation layer HW, for example Makrolon cast in epoxy resin, is located above this metallic screen. The main insulation layer is surrounded by the secondary winding or w2. In Fig. 1, several secondary windings are provided, which are each housed in winding chambers K of a winding support WT. The individual layer windings LW of the secondary windings w2, which are arranged concentrically to the core KE, are embedded together with the winding carrier in the insulating compound IM, or are potted therewith.

Die Stärke dieser Isoliermasse IM richtet sich nach der vorgegebenen Lebensdauer des Hochspannungstransformators. Sie kann aus einer Lebensdauerkurve für das Material der Isoliermasse IM entnommen werden. Der Transformatorverguß ist außen mit maximaler Feldstärke belastet und muß daher ausreichend dick sein. Der Außenumfang der Sekundärwicklung/en bzw. die noch darüber befindliche Isoliermasse IM trägt eine leitfähige Beschichtung LS, z. B. einen leitfähigen Lack, der auf Massepotential geführt ist, z. B. durch Verbindung mit dem Gehäuse oder Sockel SO. Zu beachten ist, daß die Beschichtung LS keine Kurzschlußwicklung für den Hochfrequenztransformator darstellt. Sie muß also zumindest einen Trennschlitz aufweisen. Die aus der Isoliermasse IM herausgeführten Anschlußenden 1, 2 der Sekundärwicklung sind geschirmt ausgebildet. Die Schirmung SI wird ebenfalls mit Massepotential verbunden und vorzugsweise auch direkt mit der Beschichtung kontaktiert.The thickness of this insulating compound IM depends on the specified service life of the high-voltage transformer. It can be taken from a service life curve for the material of the insulating compound IM. The transformer encapsulation is loaded with maximum field strength on the outside and must therefore be sufficiently thick. The outer circumference of the secondary winding (s) or the insulating compound IM still above it carries a conductive coating LS, e.g. B. a conductive lacquer, which is guided to ground potential, for. B. by connection to the housing or base SO. It should be noted that the coating LS is not a short-circuit winding for the high-frequency transformer. So you must have at least one separation slot. The connection ends 1 , 2 of the secondary winding which are led out of the insulating compound IM are shielded. The shield SI is also connected to ground potential and is preferably also contacted directly with the coating.

Die Schirmung SI kann dadurch realisiert werden, daß die Anschlußenden 1, 2 ab dem Austritt aus den Kammern, bzw. der Isoliermasse IM als Koaxialleitungen ausgebildet sind. Der auf Massepotential gelegte äußere Schirm der Koaxialleitungen 1, 1′ und 2, 2′ (Fig. 2) ist zum mechanischen Schutz dünn isoliert und vakuumdicht ausgebildet.The shielding SI can be realized in that the connection ends 1 , 2 are designed as coaxial lines from the exit from the chambers or the insulating compound IM. The outer shield of the coaxial lines 1 , 1 'and 2 , 2 ' ( Fig. 2), which is connected to ground potential, is thinly insulated for mechanical protection and is vacuum-tight.

Als ein mögliches Ausführungsbeispiel ist der Hochspannungstransformator mit Gleichrichterelementen beschaltet, die auf einer Leiterplatte LP angeordnet sind. Vorzugsweise sind diese Bauelemente mitsamt der Leiterplatte LP in eine isolierende Vergußmasse VM eingegossen. Die Schirmung SI bzw. die Schirmleiter der Koaxialleitungen 1, 1′ und 2, 2′ sind zumindest bis zur Leiterplatte LP oder der sie umgebenden Vergußmasse VM geführt.As a possible exemplary embodiment, the high-voltage transformer is connected to rectifier elements which are arranged on a printed circuit board LP. These components, together with the printed circuit board LP, are preferably cast into an insulating casting compound VM. The shield SI or the shield conductors of the coaxial lines 1 , 1 'and 2 , 2 ' are at least up to the circuit board LP or the encapsulating compound VM surrounding them.

Die Herausführung des Anschlußendes 1, d. h. das Anschlußende der untersten Lagenwicklung LWI, aus der Wicklungskammer K erfolgt in einem-von der übrigen Wicklungskammer K getrennten Kammerbereich KB, um ebenfalls Überschläge oder Entladungen zu vermeiden, da dieses Anschlußende gegenüber jeder Wickellage einen Potentialunterschied von beispielsweise bis zu 250 V aufweisen kann. Die Abtrennung des Kammerbereichs KB kann, wie in Fig. 1 dargestellt, durch einen zusätzlichen Steg auf dem Kammerträger WT realisiert werden, der am Kammergrund eine Bohrung für das Anschlußende 1 aufweist.The connection end 1 , ie the connection end of the lowest layer winding LWI, is led out of the winding chamber K in a chamber area KB which is separate from the rest of the winding chamber K, in order to also avoid flashovers or discharges, since this connection end has a potential difference of, for example, up to each winding position can have up to 250 V. The separation of the chamber area KB can, as shown in Fig. 1, be realized by an additional web on the chamber support WT, which has a hole for the connection end 1 at the chamber bottom.

Fig. 2 zeigt die Beschaltung einer der Sekundärwicklungen w2 mit einer Spannungsverdopplerschaltung, bestehend aus den Dioden D1, D2 und den Kondensatoren C1, C2. Die Primärwicklung w1 wird z. B. über einen Schaltregler von Rechteckpulsen im Bereich von 10 bis 100 kHz mit einer Spannung von 45 V gespeist. Die gleichgerichtete Spannung an der Reihenschaltung der Kondensatoren C1, C2 beträgt je nach Übersetzungsverhältnis z. B. 4 kV. Der Endpunkt der Leitung 1, 1′ wird auf Massepotential gelegt. An den Anschlußpunkt 3 kann eine weitere Sekundärwicklung mit Gleichrichterelementen angeschlossen sein. Die Ausgangsgleichspannungen können zur Erhöhung der Gesamtspannung aufgestockt werden oder zu weiteren Hochspannungsabnehmern, z. B. zu verschiedenen Elektroden einer Wanderfeldröhre führen. Fig. 2 shows the circuitry of one of the secondary windings W2 with a voltage doubler circuit consisting of the diodes D1, D2 and the capacitors C1, C2. The primary winding w1 is z. B. fed by a switching regulator of rectangular pulses in the range of 10 to 100 kHz with a voltage of 45 V. The rectified voltage at the series connection of the capacitors C1, C2 is z, depending on the transmission ratio. B. 4 kV. The end point of line 1 , 1 'is set to ground potential. A further secondary winding with rectifier elements can be connected to the connection point 3 . The DC output voltages can be increased to increase the total voltage or to further high voltage consumers, e.g. B. lead to different electrodes of a traveling wave tube.

Claims

1. High-voltage transformer with at least one secondary winding (w2) embedded in an insulating compound (IM) with the following features:

- The connection ends ( 1 , 2 ) of the secondary winding / s (w2) led out of the insulating compound (IM) are shielded (SI),
- The insulating compound (IM) has a conductive coating (LS) on the outside,
- The shielding (SI) and the conductive coating (LS) are at a low potential, for. B. ground potential.

2. High-voltage transformer according to claim 1, characterized characterized in that the thickness of the insulating compound (IM) in Dependency on a predetermined service life of the High voltage transformer is selected.

3. High-voltage transformer, characterized in that the connection ends ( 1 , 2 ) of the secondary winding (w2) with rectifier elements (D1, D2, C1, C2,...) Arranged on a printed circuit board (LP) are connected, the shielding (SI ) at least up to the printed circuit board (LP) or a potting compound (VM) surrounding it.

4. High-voltage transformer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the secondary winding (s) (w2) is / are housed in a winding chamber / in winding chambers (K), the leading end ( 1 ) being led out in the lowermost layer winding ( LWI) a chamber area (KB) separate from the other winding chamber (K) is provided.

5. Use of the high-voltage transformer according to one of the Claims 1 to 4 in the Paschen minimum, especially during the Launch phase of a satellite.

6. Use of the high-voltage transformer according to one of the Claims 1 to 4 under space conditions.

7. Use the high voltage transformer according to one of the Claims 1 to 4 for a particular rectangular AC voltage between 10 and 100 kHz.