一种80 kV高压脉冲变压器设计

2019-06-05邹祖娇合肥华耀电子工业有限公司安徽合肥230031

通信电源技术 2019年5期

邹祖娇（合肥华耀电子工业有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

随着国家环保要求的日益严格，传统电除尘使用的三相高压电源和高频高压电源难以达到要求，除尘电源需向脉冲高压电源升级换代。脉冲高压电源电路主要由开关管IGBT、储能电容CS、脉冲变压器PT、隔离耦合电容CC、除尘器、高压隔离电感Ldc及基础电源Udc等组成，电路原理如图1所示。

图1 电路框图

脉冲高压电源的核心是大功率高压脉冲谐振回路，除高压开关IGBT外，脉冲变压器是最关键的部件，其性能好坏直接决定了脉冲电源的可靠性。下面分别介绍设计计算方法及关键技术点。

1 脉冲变压器的设计

该脉冲变压器是高压传输装置，主要功能是前级储能电容放电的脉冲电压升压至设定电压，再输出给电场除尘器负载[1]。受IGBT参数限制，目前主流产品基本是脉冲输入2.5 kV，升压到80 kV左右。

1.1 脉冲变压器技术指标要求

（1）平均功率：约200 kW；（2）脉冲宽度τ：75 μs；（3）工作频率F：200 Hz；（4）输入脉冲电压UP1：＜2 500 V；（5）输出脉冲电压UP2：72～80 kV；（6）输出脉冲电流IP2：200 A；（7）漏感Ls：≤4 μH；（8）耐压：负高压承受输出脉冲电压108 kV。

1.2 设计步骤

1.2.1 计算功率

脉冲功率：P=80×103×200=1.6×107W；

平均功率：Pe=UP2IP2τ f=80 000×200×75×200=2.40×105W。

1.2.2 选取导线

（1）初级电流有效值I1e＝3.3×30=99 A；初级绕组采用纯铜带绕制，铜带规格为厚0.15 mm×270 mm宽；导线截面积Sm=40.5 cm2；初级电流密度j1=4.7 A/mm2。

（2）次级电流有效值I2e＝3.3 A；次级选取导线QZ-2，d＝Φ1mm，2根并绕；导线截面积Sm=1.6 cm2；次级电流密度j2=2.1 A/mm2。

1.2.3 铁芯选取

（1）铁芯材料选取

一般常用大功率脉冲变压器的铁芯材料有非晶、超微晶和硅钢薄带三种，主要参数对比如表1所示。

表1 主要参数

其中，非晶带材铁芯相对超微晶来说饱和磁感应强度略高，但由于带材宽度有限，大功率变压器需要将几幅铁芯粘接在一起使用，使铁芯体积增大，变压器漏感增大。超微晶材料可以使用在较高频率条件下（20～100 kHz），但加工工艺性差，材质易碎且加工体积受限。硅钢薄带厚0.05 mm或0.08 mm，饱和磁感应强度高，但损耗相对偏高，且价格略贵。

根据本项目高压脉冲变压器功率、频率及脉冲宽度等参数，综合成本及加工制造工艺因素，选取DG4系列硅钢薄带，厚度0.1 mm。

（2）铁芯体积确定

首先确定最佳的铁芯截面积：

式中，S为铁芯截面积，单位cm2；U1为初级脉冲电压，单位V；τ为脉冲持续时间，单位μs；ΔB为磁感应强度增量，单位T；Fm为平均匝长因子，单位cm-1；Ls为允许的漏感值，单位μH；C'2为分布电容值，单位pF。对于高压大功率宽脉冲油浸变压器，平均匝长因子Fm可取值5～7。截面积确定了后根据材料带宽与体积要求，然后选取合适的铁芯柱长宽比。其次，确定铁芯的窗宽和窗高。一般根据绕组匝数、绕组形式结构、单层还是双层次级绕组、绝缘方式和绝缘距离等因素，计算绕组所需要的高度和厚度，最终得出铁芯窗宽和窗高尺寸。

本脉冲变压器铁芯采用CD型铁芯结构，结构尺寸为80 mm×128 mm×325 mm，在200 Hz条件下ΔB值取2 T。铁芯截面Sc=97 cm2，铁芯重量Gc=83 kg。

1.2.4 绕组选取

（1）绕组形式

绕组的形式在很大程度上决定了脉冲变压器的分布参数（漏感和分布电容）。常用的绕组结构有三种：圆柱形绕组、圆盘形绕组和环形绕组[2]。

变压器初、次级线匝各分布于2只线圈上，初级两组采用铁芯两柱串联的方式，次级双绕组分两铁芯柱串联，具体如图2所示。