NO320550B1 - Anordning ved planar hoyspenningstransformator - Google Patents

Description

ANORDNING VED PLANAR HØYSPENNINGSTRANSFORMATOR

Denne oppfinnelse vedrører en planar høyspenningstransforma-tor. Nærmere bestemt dreier det seg om en planar høyspen-ningstransformator hvor transformatorens sekundærvikling er utformet for å i hovedsak å overkomme eller i betydelig grad å redusere kjente, uønskede elektriske egenskaper så som parasittisk kapasitans, parasittisk induktans samt såkalt skinneffekt (skin effect) og nærhetseffekt (proximity effect).

Elektrisk energi leveres vanligvis, av praktiske og sikker-hetsmessige årsaker, til forbrukeren med en relativt lav spenning. Når det er behov for høyspent elektrisk energi i størrelsesorden opp til noen kilovatt (kw), er det vanlig å lokalt transformere opp den leverte spenning til den ønskede spenning. For eksempel kan det ved drift av elektrostatiske filtre dreie seg om effekter fra noen hundre watt og opp til flere titalls kw ved spenninger over 10 kilovolt (kV).

Ifølge kjent teknikk anvendes tradisjonelle høyspennings-transformatorer med en kjerne av silisiumrike laminerte jern-plater for opptransformering av spenningen. Disse høyspenn-ings trans f ormatorer er velegnet for anvendelse ved vanlig nett-frekvens som typisk er 50 eller 60 Hertz (Hz). Høyspenningstransformatorer av denne art er forholdsvis store og tunge. Hovedårsaken til dette er at jernkjernen bare tåler en begrenset magnetisk fluks før den kommer til metning. Jernkjernens tverrsnitt er således bestemmende for hvor stor effekt høyspenningstransformatoren kan levere. Som en følge av den relativt store kjerne blir høyspenningstransformato-rens viklinger lenger og derved store. Dette bevirker at det utvikles et betydelig resistivt effekttap. Viklingstrådens diameter må derved økes, hvilket medfører at høyspennings-transformatorens vekt og dimensjon økes ytterligere.

Den magnetiske fluks i en transformatorkjerne er gitt ved formelen:

hvor B = magnetisk fluks i Tesla, U = "peak" drivspenning i Volt, f = frekvens i Hz, N = antall turn og Ae = effektivt tverrsnitt av transformatorkjernen i m<2>.

Det fremgår av formelen at magnetisk fluks i transformatorkjernen er omvent proporsjonal med frekvensen.

På grunnlag av dette faktum er det utviklet transformatorer med jernkjerne som ved å arbeide ved en forhøyet frekvens oppviser en forbedret ytelse/effektivitet i forhold til høy-spent trans f ormatorer som arbeider ved nettfrekvens. Årsaken til den forbedrede ytelse/effektivitet er at jernkjernens di-mensjoner kan reduseres når frekvensen økes.

En fremgangsmåte for å tilføre transformatoren en relativt høy frekvens omfatter en såkalt SMPS - (Switched Mode Power Supply) teknikk. Den tilførte effekt omformes ifølge denne teknikk til en fortrinnsvis firkantpulsformet høyfrekvent inngangsspenning til høyspenningstransformatoren.

En høyspenningstransformator av kjent utførelse har grunnet

sin virkemåte et relativt høyt antall turn i sekundærviklingen. Dette medfører en forhøyet sekundærkapasitans ved at viklinger med mange lag av forholdsvis tynn vikletråd har mindre innbyrdes gjennomsnittlig avstand fra hverandre enn i en

transformator hvor vikletråden har større diameter.

En relativt stor sekundærspole, stor transformatorkjerne samt nødvendige isolasjonsavstander, særlig omkring sekundærspolen, bevirker også at høyspenningstransformatorer av denne art får en relativt høy koblingsinduktans. Årsaken til dette er at en relativ stor avstand mellom primær- og sekundærviklingene fører til dårlig magnetisk kobling mellom disse.

Denne utilsiktede og i hovedsak uunngåelige parasittiske kop-lings induktans vil på samme måte som sekundærkåpasitansen og i kombinasjon med sekundærkapasitansen påvirke strømmen i transformatoren. Ved at induktans begrenser høyfrekvent strøm, vil denne begrense strømmen mellom primær- og sekun-dærvikl ingene. Høyspenningstransformatorer av denne art oppviser således en relativt snever båndbredde, det vil si den høyeste drivfrekvens høyspenningstransformatoren kan arbeide ved.

SMPS er en velkjent teknikk for å oppnå en forbedret effekti-vitet ved spenningsomforming opp til i størrelsesorden 1 kV . Ved høyere spenninger er det nødvendig å tilpasse transformatoren ved hjelp av i og for seg kjente teknikker som spen-ningsmultiplikasjon, seriekoplede høyspenningstransformato-rer, lagdelt vikleteknikk eller såkalt resonant "Switching" for å kompensere for en relativ snever båndbredde i en høy-spenningstransformator.

Felles for disse teknikker er imidlertid at de bare i begrenset grad overkommer ulempene samtidig som de kompliserer og derved fordyrer den komplette høyspenningsomformer.

Den såkalte planartransformator anvendes i stadig større ut-strekning som lavspenningstransformator. En planartransformator omfatter typisk minst ett kretskort hvor viklingene er etset ut i kretskortets koppersjikt, og hvor typisk en ferrittkjerne omkranser viklingene. Ferrittkjerner av denne art er grunnet anvendelse av kretskortenes planare viklingsform relativt lave og langstrakte og kalles derfor planarkjerner.

Planartransformatoren oppviser gunstige trekk ved at den er enkel å produsere og har liten parasittisk koplingsinduktans fordi viklingene er anbrakt relativt tett inntil hverandre. Planarviklinger har typisk en relativt lav parasittisk kapasitans. Dette medfører at planartransformatoren generelt oppviser en meget god båndbredde.

En høyspennings planartransformator må være forsynt med et relativt høyt antall tørn i sekundærviklingen. Dersom hele denne sekundærvikling anbringes på ett kretskort, vil nødven-dig areal til viklinger bli relativt stort. Produksjonstek-niske forhold begrenser en ferrittkjernes størrelse. Det er derfor nødvendig å dele sekundærvindingen opp i flere på hverandre liggende lag. En slik løsning medfører at det opp-står en betydelig parasittisk sekundærkapasitans, som for praktiske formål umuliggjør anvendelse av planartransformatorer som høyspenningstransformatorer.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller redusere i det minste en av ulempene ved kjent teknikk.

Formålet oppnås i henhold til oppfinnelsen ved de trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkrav.

For å kunne anvende en planartransformator som høyspennings-transformator ved typisk høy SMPS drivfrekvens er det nødven-dig å redusere den parasittiske sekundærkapasitans i betydelig grad.

Fra kjent elektroteori kan det vises at totalkapasitansen mellom seriekoplede kapasitanser er lik:

Om alle kapasitanser er like forenkles formelen til:

Dersom eksempelvis 40 ledere anbringes i fem lag over hverandre med 8 ledere på hvert lag og samlet kapasitans mellom hvert lag er 1 nF med 1/8 nF mellom hver overforhverandre be-liggende leder blir totalkapasitansen:.

Fordeles imidlertid det samme antall kretskortledere på 20 lag, hver med to ledere, er kapasitansen mellom hvert lag 2<*>1/8 = 1/4 nF.

Totalkapasitansen blir:

eller 19 ganger mindre enn eksemplet med fire lag. I eksemplet er det ikke tatt hensyn til at lederne i de to eksempler kan ha ulik lengde.

Et stort antall på hverandre og i høyden liggende kretskort kan grunnet plassmangel vanskelig anvendes i en planartransformator.

Problemet med geometrien i en planartransformator kan for se-kundær spol ens vedkommende løses ved at et relativt stort antall lag, hvert med få antall tørn, vikles til en smal spole som anbringes i planartransformatoren i et plan parallelt med planartransformatorens primærvikling. Det relative antall lag i forhold til antall vindinger pr lag er minst 1 og fortrinnsvis mer enn 5.

Anerkjente beregningsmetoder for såkalt skinneffekt og nærhetseffekt, se P.L. Powel: "Effeets of eddy currents in transformer windings" PROC. IEE, Vol. 113, No. 8, August

1966, viser imidlertid at antall lag i vesentlig grad influe-rer på den såkalte resistansfaktor som er en uønsket økning i viklingens resistans ved høye drivfrekvenser. Resistansfakto-ren påvirkes og økes av antall lag i kvadrat.

Under utprøving av oppfinnelsen ble det overraskende funnet at denne teori ikke er anvendbar når det gjelder den nevnte art av sekundærspoler, og at den foreslåtte sekundærspole-utforming til tross for mange lag oppviser gunstige verdier med hensyn til skinneffekt og nærhetseffekt, og derved relativt lav resistansfaktor.

I en foretrukket utførelsesform er sekundærviklingen utformet som en relativt smal rull av leder og mellomliggende isolasjonsmateriale som anbringes i et plan parallelt med planar-transf ormatorens primærvikling. Denne konstruksjon oppviser minst den samme reduksjon i parasittisk sekunderkapasitans som en smal, liggende spole med få tørn per lag.

Primærspolen kan for eksempel være utformet som minst én kretskortvikling, en såkalt Litz-ledervikling, eller i vanlig lakkert tråd, eventuelt kombinasjoner av disse. En Litz-leder omfatter typisk mange individuelt isolerte ledere.

Ved hjelp av anordningen ifølge oppfinnelsen overkommes eller i betydelig grad reduseres kjente uheldige elektriske fenomen i en høyspenningstransformator, slik at høyspenningstransfor-matoren kan fremstilles med en betydelig forbedret båndbredde i forhold til kjent teknikk. Transformatoren er således meget velegnet for såkalt HV-SMPS (High Voltage Switched Mode Power Supply) drift.

I planartransformatorer er det som nevnt vanlig å anvende en ferrittkjerne. Det kan imidlertid om ønskelig anvendes en kjerne som er bygget opp av blikk eller folie, og som er fremstilt av et ferromagnetisk materiale. Blikkkjerner utfor-mes typisk med "E"- form mens foliekjerner av produksjonstek-niske grunner gjerne er sammensatt av to "C" formede partier.

Dersom det for eksempel er ønskelig å ha en relativt høy kop-lings induktans kan primær- og sekundærviklingene anbringes

med en relativt stor innbyrdes avstand i kjernen.

I det etterfølgende beskrives et ikke-begrensende eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på med-følgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et planriss av en planartransformator delvis i snitt; Fig. 2 viser et snitt I-l i fig. 1; Fig. 3 viser i større målestokk et utsnitt av fig. 2; og

Fig. 4 viser en alternativ utførelsesform.

På tegningene betegner henvisningstallet 1 en høyspennings-planartransformator omfattende et kretskort 2 med en primærspole 4, en sekundærspole 6, en øvre kjernehalvdel 8 og en

nedre kjernehalvdel 10.

De to E-formede kjernehalvdeler 8 og 10 omkranser kretskortet 2 og spolene 4 og 6 idet kretskortet 2 er forsynt med en gjennomgående senteråpning 12.

Kretskortet 2 er videre forsynt med to strømtilførselstilkop-lingspunkt 14 for primærspolen 4. Sekundærspolen 6 har to ikke viste tilkoplingspunkt.

Sekundærspolen 6 utgjøres av en leder 16 i form av en opp-spolt metallfolie, fortrinnsvis av kopper, hvor hvert lag av lederfolie 16 er isolert fra nærliggende lederfolielag 16 ved hjelp av isolasjonsfolie 18. Sekundærspolen 6 er videre•iso-lert fra primærspolen 4 og kjernehalvdelene 8, 10 ved hjelp av isolasjonsmateriale 20.

Hvert lag av lederfolie 16 utgjør et spolelag i sekundærspolen 6.

Sekundærspolens 6 høyde, det vil si kopperfoliens 16 bredde, er vesentlig mindre, fortrinnsvis mindre enn en femtedel av sekundærspolens 6 bredde i vikleretningen.

Sekundærspolen 6 er anbrakt slik at dens vikleretning i hovedsak er parallell med primærspolens 4 plan.

Som nevnt i beskrivelsens generelle del, bidrar et relativt stort antall lederlag 16 til at sekundærkapasitansen blir relativt liten, mens den kompakte sammenbygging som kjenneteg-ner en planartransformator resulterer i en vesentlig reduksjon av høyspenningstransformatorens 1 koplingsinduktans. Derved oppnås høy båndbredde og mulighet for å anvende relativt høy SMPS drivfrekvens.

I en alternativ utførelsesform, se fig. 4, utgjøres sekundærspolen 6 av lakkisolert leder/metalltråd 22, eventuelt av en Litz-ledervikling. Metalltråden 22 er i fig. 4 vist viklet i spolelag 24 å fire tørn metalltråd 22 og med et relativt stort antall spolelag 24. Av illustrative hensyn er det spolelag 24 som befinner seg inderst skravert i motsatt retning av de øvrige spolelag 24. Spolelagene 24 er viklet på hverandre og hovedsakelig i samme retning som primærspolens 4 plan.

Forholdet mellom antall spolelag 24 og antall ledere 22 i hvert spolelag 24 bør overstige 5 for at nærhetseffekten ikke skal bli for stor.

Denne alternative utførelsesform oppviser ikke like gode re-sultat med hensyn til sekundærkapasitans som utførelsesformen i henhold til fig. 3, men er tilfredsstillene for praktiske forhold.

Claims (7)

1. Anordning ved planartransformator omfattende en primærspole (4), en sekundærspole (6) og en kjerne (8, 10) karakterisert ved at sekundærspolens (6) spolelag (16, 24) er viklet på hverandre i en retning som i hovedsak er parallell med primærspolens (4) plan.

2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved., at primærspolen (4) utgjøres av et kretskorts (2) kopperbane.

3. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at sekundærspolens (6) spolelag (16) utgjøres av metallfolie.

4. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at sekundærspolens (6) spolelag utgjøres av en elektrisk isolert metalltråd.

5. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at sekundærspolens (6) spolelag utgjøres av en Litz-leder.

6. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at kjernen (8, 10) omfatter en øvre kjernehalvdel (8) og en nedre kjernehalvdel (10).

7. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at kjernen (8, 10) er fremstilt av et ferromagnetisk materiale.