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大功率高压高频变压器设计特点及基础知识介绍

大功率高压高频变压器设计特点及基础知识介绍

概述

  大功率(大于10kW)、高压(大于10kV)、高频(大于20kHz)AC-DC电源变换器的应用越来越广泛,如应用于氩弧焊、静电除尘、脱水以及脱硫脱硝等工业领域。
  在这种大功率的高压开关电源中,实现能量的存储和传递、用以隔离和升压的高频变压器是项目设计的关键和难点,其性能的好坏不仅直接影响到输出是否产生波形的畸变及能量传输的效率,而且可能影响到功率开关器件的安全工作。

设计特点
  大功率、高压、高频变压器与普通变压器的设计方法不同,主要表现在:绝缘需求、寄生成分、空载损耗、负载损耗、电晕放电及整流等方面。
  一次绕组和二次绕组之间需要有效的绝缘厚度或距离,以避免电场击穿。因此,一次绕组和二次绕组之间的电磁耦合不像传统的低压变压器那样紧凑。
  对于一次侧来说,这将导致寄生泄漏电感,从而影响变压器的最大功率容量。特别是在设计大功率、高压变压器的时候,如要保证足够的绝缘距离,就会有寄生电感产生。
  影响漏感的因素有:①变压器的结构形式及尺寸;②铁芯形状(环形最小)、尺寸、初级和次级绕组匝数;?导线截面积、绕组绕制方式、绝缘距离等。

现有的输出模式
  对于大功率高压开关电源,由于电压高,电流一般较大,硬开关PWM变换器受到变压器寄生参数的影响,易造成功率开关开通时产生浪涌电流,关断时产生浪涌电压,从而增加开关损耗。
  因此,一般采用谐振变换技术(即软开关技术),将变压器的寄生参数充分利用参与谐振,使通过功率开关的电流或电压波形为正弦波或准正弦波,实现开关的零电压(ZVS)或零电流(ZCS)开通与关断。
  实现高电压大电流输出高压变压器(转换器)又可分为以下几种模式:
  1) 倍压整流模式
  倍压整流模式是在变换器的整流输出环节采用倍压整流技术,从而减小了变压器的升压倍数,使变压器的电压等级降低。
  电压等级降低了,变压器二次绕组与一次绕组的匝数比减小从而减小了寄生电容。同时,变压器的绝缘设计相对变得比较容易,很大程度上减小了变压器的体积和整个电源系统的重量。
  倍压整流电路只能在负载较轻的情况下才能正常工作, 对于如静电除尘等需要大功率电源的情况下,由于电流较大,采用倍压整流将会使电压降低,达不到所要求的电压输出,因此倍压级数不能太高,一般最多为二级倍压为宜。
  倍压电路在正常工作状态下,输出电压很稳定,但是当负载出现短路或者负载电场击穿放电(静电除尘)时,倍压整流电路将产生超过正常电流几十倍的浪涌电流,对电源系统的安全运行带来影响。因此,必须采取有效的保护措施加以防范,如在负载处串联限流电阻等。
  2) 串/并联输出模式
  该模式是在变压器内部各个次级线包之间进行串/并联组合后整流输出,或者各个次级线包单独整流输出后再进行串/并联组合,以实现所需要的功率和电压输出。各个次级线包之间具有公共的磁路。
  在大功率、高压、高频逆变器开关电源中,升压变压器一次侧电压较低,二次侧电压较高,通过一次侧绕组的电流很大,但二次侧绕组匝数多,因此,串/并联输出模式中升压变压器是将二次绕组分成多个线包,各个线包进行串/并联组合或者单独输出。
  
上述大功率高压高频变压器(转换器)的制成方式都有以下共同特点:
  1) 共有一付大功率铁芯(该铁芯也有可能是几付铁芯并联);2) 所有次级绕组绕制在一付铁芯上,各个次级绕组之间没有单独的磁芯和磁路;3) 初级绕组绕制(装配)完成后,绕制(装配)次级绕组,初、次级绕组都共有一付铁芯;4) 次级绕组相对初级绕组远离铁芯。