基于MARX发生器应用的15kV变压器设计

富宇

摘 要：本文通过使用PSPICE仿真软件对15KV高压高频变压器进行电路仿真，在此基础上，采用麦克莱曼法对该变压器进行实际的分析计算，最后设计出变压器实物，通过测试获得较好的效果。

关键词：高频高压变压器；PSPICE仿真；麦克莱曼设计法

中图分类号： TM241 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）13-139-2

0 引言

Marx发生器在现代工业生产中越来越多的使用，它主要是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置，一般地，为了提高Marx发生器的工作效率，要求对其充电的高压直流电源装置可以快速地充放电，且该电源装置需要工作在较高的频率上。而在逆变开关技术以及新的磁芯材料大量使用之前，大部分的充电电源都采用老旧的、工作频率较低的变压器完成主要工作，变压器的工作频率和普通交流电工作频率一致，导致整个电源转换效率低下，充电时间变长，很难满足Marx发生器使用要求，导致工作效率降低[1]。由于新技术新材料的应用，让生产使用高压高频变压器的充电电源成为可能，在Marx发生器中，逆变升压以及整流电路是整个Marx发生器充电电源的主要组成部分，而变压器的设计的好坏及其性能是整个电源的重中之重，本文通过对影响高压高频变压器性能的主要参数进行分析，建立等效电路模型，通过PISPICE软件进行仿真，对参数进行优化设计，在选择合适的磁芯并采用麦克莱曼方法计算参数后绕制出符合Marx发生器使用的15kV变压器成品。

1 变压器的模型与仿真电路

1.1 变压器电路模型

在变压器的使用中，实际上寄生参数是始终客观存在的，变压器工作在低频状态时，变压器绕组之间形成的寄生参数变化不大，对电路工作的影响也比较小，因此在实际应用中往往忽略不计，但是随着开关频率的提高，分布参数对变压器性能的影响将越发严重。

在高压高频变压器中，影响其工作性能的主要参数有：励磁电感、分布电容以及漏感等。其中分布电容和漏感的影响更为严重。

对于分布电容来说，分布电容主要寄生在变压器初次级绕组之间，绕组中匝与匝之间，绕组与磁芯之间，影响电容值大小的因素主要是变压器绕组的结构、介电常数以及绝缘程度等等。 变压器绕制时可采用不同的绕组结构，这时产生的层间电容也不尽相同，一般情况下，在变压器高压输出侧采用多段绕制，多绕组串联，在每个绕组层数一定的情况下，绕组个数越多，分布电容就越小。研究表明采用“锥型”绕制或“Z”型绕制方法能够有效降低等效分布电容，提高变压器的频率特性，在单层匝数不多时这种效果更明显，而且提高了变压器的绝缘等级[3]。

漏感是因为变压器一组线圈到另一组磁通量不完全耦合而产生的电感分量，也就是说，漏感的产生是因为初次级之间、匝与匝之间、层与层之间磁通没有完全耦合形成的[4]，漏感与初次级绕组间耦合程度密切相关。变压器的功率输出和变压器漏感中耦合的能量是有直接关系的，同时漏感的大小关系到高压高频变压器的铜损和铁损，也影响到变压器的散热问题。漏感还可以与变压器线圈的分布电容和电路中的分布电容组成振荡回路，造成电磁干扰。而且，漏感的存在会在开关转换瞬间，对电路中使用的开关管，如IGBT等造成损坏。因此在设计中还需尽可能的减小漏感。

根据以上分析，在变压器等效电路分析中，考虑漏感以及分布电容对变压器的性能的影响，将次级的漏感、绕组电阻以及分布电容采用折算的方法，折合到初级侧，可以得到图1的等效电路。

图中：L1是变压器励磁电感，Ls是变压器漏感，C1和C′s是变压器分布电容，r1和r′2是变压器绕组电阻。

1.2 PSPICE仿真及结果

使用PSPICE软件仿真，是因为其具有强大的电路模拟仿真功能，可以电路图方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路，可以用于电路分析和参数优化设计。

根据上述图1的高压高频变压器等效电路，采用PSPICE对电路进行相应地仿真。

由于设计的变压器工作在高频，几十千赫兹，分布电容和漏感这两个参数互相之间还存在影响，一般情况下，当分布电容减小时，漏感会增大，反之，漏感减小时，分布电容会增大，所以在仿真和实际设计中，这是一对矛盾体，不可能同时减小分布电容和漏感对变压器带来的影响，因此在变压器仿真时，根据仿真模型，对分布电容和漏感取不同的值，根据仿真结果调整参数的设置，从而得到最优化的分布电容和漏感值。在此基础上给出一种较好的仿真结果，如图3所示。

2 变压器设计

根据以上的分析及仿真结构，在设计中只能采用折中的方法解决分布电容和漏感两个参数的取值，而采用磁计算的麦克莱曼的变压器设计方法采取的就是这样的一种方法。

该方法从变压器采用的磁器件的功率处理能力着手，选择不同的磁芯，计算绕组的匝数，线径等参数，功率处理能力一般用面积Ap表示，其值在物理意义上等于所选型号的磁芯的窗口Wa面积和磁芯的横截面积Ac的乘积[5]。

需设计的15kV高压高频变压器主要外部参数为：初级输入电压155V；次级输出电压15kV；输出功率为0.3kW，变压器工作频率为35kHz。

通过麦克莱曼法计算相应参数后，得到初级线圈为29匝，选取3股导线绕制，每股导线截面积为0.2753mm2；次级线圈为3741匝，二次绕组导线横截面积为0.0165mm2，1股导线即可满足。

在本次设计中采用的是UY-16型铁氧体磁芯，为减少漏感对变压器性能的影响，采用分段绕制的方法，而且由于Marx发生器充电使用直流电源，因此将高压硅堆制成的整流桥连接在次级绕组的输出端，最后采用环氧树脂进行灌封并固化，制成变压器成品。

3 结果及分析

设计完成后，将本次设计所得的高压高频变压器与Marx发生器的其他电路连接起来，该Marx发生器可在0～25kV之间调整进行测量，测量时采用1：1000的高压探头，测量结果如图4所示，直流输出高压15kV，经过整流后的直流充电电压稳定，可以满足Marx发生器的应用。

参 考 文 献

[1] 江伟华，张弛.脉冲功率系统的原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.11：46-57.

[2] 王杰，等.PSPICE在软件电路设计中的应用[J].电子科技.

[3] 齐玮，等.通信电源技术，2008，25（3）.

[4] EPC高频变压器分布参数及其影响的分析.

[5] 2012麦克莱曼.变压器与电感器设计手册：第三版[M].北京：中国电力出版社，2008.