小型高壓充電實(shí)驗(yàn)裝置中高壓變壓器設(shè)計(jì)?

王云艷,王永強(qiáng),劉長(zhǎng)林,王文杰

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

0 引 言

爆炸箔起爆器(Exploding foil initiator,EFI),亦稱沖擊片雷管,其原理是利用金屬箔電爆炸驅(qū)動(dòng)聚酯薄膜加速飛行沖擊起爆炸藥,廣泛應(yīng)用于各類武器系統(tǒng)的起爆序列中.沖擊片雷管的起爆需要一個(gè)小型高壓脈沖功率裝置為其提供高電壓、大電流的起爆能量.本課題研究的目的就是為一種新型沖擊片雷管的試驗(yàn)提供小型高壓脈沖功率實(shí)驗(yàn)裝置,為其提供能量配套,用以研究沖擊片雷管的電爆炸參數(shù),為其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持[1-3].

其中,小型高壓變壓器作為脈沖功率實(shí)驗(yàn)裝置的核心器件,因其專用性無(wú)法在市場(chǎng)上采購(gòu)到合適的器件,而且該變壓器正確的設(shè)計(jì)與制作決定了該實(shí)驗(yàn)裝置能否正常運(yùn)行,因此本文著重研究了小型高壓脈沖功率實(shí)驗(yàn)裝置中高壓高頻磁性變壓器的設(shè)計(jì)方法.

1 小型高壓脈沖功率實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理

新型沖擊片雷管起爆電壓要求在2 kV以上,因此需要利用高壓脈沖功率裝置將直流電池組的電壓從30 V逆變到2 kV以上.對(duì)于這種小功率高壓脈沖逆變器可以采用單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),利用脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管進(jìn)行逆變,將30 V的直流電壓轉(zhuǎn)換為幾百千赫的交流電壓,由高頻變壓器升壓至2 kV以上,經(jīng)過(guò)高壓硅堆整流后給高壓電容充電,沖到預(yù)定值后,將電壓信號(hào)反饋給脈沖發(fā)生器,停止充電.等待起爆信號(hào)到來(lái)后,將高壓電容內(nèi)聚集的高壓能量瞬間釋放,從而起爆沖擊片雷管[4,5].因此高壓脈沖功率裝置由高頻開(kāi)關(guān)管(功率MOSFET)、高頻高壓脈沖變壓器,脈沖發(fā)生器以及高壓反饋電路構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示.

圖1 高壓脈沖功率變換電路及起爆電路原理圖Fig.1 High voltage pulse power convertor circuit diagram and initiated circuit diagram

2 小型高壓變壓器設(shè)計(jì)[6-10]

對(duì)于變壓器設(shè)計(jì),需要確定原邊電感量,變壓器原副邊匝比,原副邊繞組線徑等重要設(shè)計(jì)參數(shù),同時(shí)要注意變壓器要留有一定的氣隙,提高轉(zhuǎn)換效率.

變壓器的具體設(shè)計(jì)流程如下:

Step1:首先確定工作頻率.對(duì)于小功率變壓器來(lái)說(shuō),頻率越高變壓器體積越小,但是開(kāi)關(guān)管和變壓器損耗越大,目前市場(chǎng)上主流的鐵氧體磁芯工作頻率在300 kHz左右.因此綜合考慮工作頻率fs定為100 kHz,占空比D為0.5,鐵氧體磁芯材料可以選用PC40,該材料工作頻率通?？梢赃_(dá)到300 kHz,是市場(chǎng)上流行的磁芯材料.

Step2:有了工作頻率fs以及占空比D,根據(jù)直流電池組所能提供的電流以及電壓條件可以確定變壓器原邊電感量Lp.

對(duì)于脈沖功率電路來(lái)說(shuō),原邊電感量

由已知條件:電池組電壓Uin=30 V,最高供電電流Ipk=2 A,留一定余量取Ip=1.5 A.由式(1)可以計(jì)算得到原邊電感量Lp=100 μ H.

Step3:根據(jù)功率MOSFET(即高頻開(kāi)關(guān)管)選擇匝比N.

對(duì)于功率MOSFET按照耐壓,內(nèi)阻小,以及較少的內(nèi)部寄生電容CGS與CGD來(lái)考慮匝比.通常,功率MOSFET漏極電壓耐壓低的型號(hào),其內(nèi)部參數(shù)會(huì)比較好,這就需要匝比大一些,這樣漏源極上的反激映射電壓會(huì)比較小,但是匝比也不要過(guò)大,大的匝比會(huì)增加漏感,影響變壓器工作效率.因此匝比經(jīng)綜合考慮后定為N=Np/Ns=1/20.

Step4:根據(jù)PC40的材料特性確定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm.

由圖2可以看出,該材料在100℃飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度是Bsat=0.39 T,且在65%的飽和值仍有一個(gè)良好的線性度,因此取工作磁感應(yīng)密度Bm=0.39×65%=0.253 T,PC40的初始磁導(dǎo)率 μi=2 300.

圖2 PC40鐵氧體材料靜態(tài)磁化曲線Fig.2 Magnetic curve of PC40

Step5:根據(jù)電路的傳輸功率,利用Ap法進(jìn)行磁芯的初選.

已知彈上電源Uin=30 V,電路設(shè)計(jì)最大電流Ipk=1.5 A,假設(shè)傳輸效率η=0.9,單端反激式為了防止磁芯飽和,設(shè)計(jì)為電流斷續(xù)模式,也就是說(shuō),每個(gè)周期電流總是下降到0,因此,變壓器原邊電流的平均值Ipave=Ipk/2=0.675 A.原邊電流有效值

占空比D=0.5,因此,Iprms=0.477 A.

利用式(3),并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行磁芯選擇.

式中:J為電流密度,通常取4 A/m2;Ko為窗口使用系數(shù),通常取0.4;Kf為波形系數(shù),方波脈沖取4.

可以由式(3)計(jì)算出磁芯面積乘積AP=168 mm4,由于高壓變壓器具有絕緣距離大、窗口填充系數(shù)小的特點(diǎn),磁芯材料相對(duì)要大一些,查表可得型號(hào)為EPC19,該磁芯參數(shù):

有效窗口面積Aw為 54.4 mm2;有效截面積Ae為 22.8 mm2;體積Volume為 1 050 mm2;磁路長(zhǎng)度le為46.1 mm.

Step6:原邊繞組匝數(shù)Np和副邊繞組匝數(shù)Ns.

將已知參數(shù)帶入得Np≈12匝.變壓器原副邊匝比N為1/20,因此副邊匝數(shù)Ns=Np/N=240匝.

Step7:計(jì)算氣隙長(zhǎng)度.

氣隙計(jì)算公式

將已知的原邊匝數(shù)Np,磁芯有效面積Ae,原邊電感量Lp代入式(5),計(jì)算得出lg=0.075 mm.

Step8:確定變壓器原邊與副邊繞組線徑.

初級(jí)線徑:峰值電流IPK=1.5 A,查表可以選擇裸線徑Dline1=0.64 mm.

副邊線徑:變壓器原副邊電流關(guān)系式

計(jì)算出副邊電流很小,峰值電流也就67.5 mA,所以導(dǎo)線可以選取的比較細(xì),可以采用裸線徑Dline2=0.16 mm.

圖3 EPC19變壓器實(shí)物圖Fig.3 The transformer of EPC19

Step9:驗(yàn)算磁芯體積是否滿足要求.

根據(jù)線徑查表可得,Aline1=0.4 mm2,Aline2=0.03 mm2,將Step4計(jì)算得到的代入Np,Ns代入式(7)中

計(jì)算得出:p≈0.56,該值小于1,說(shuō)明所選磁芯能夠滿足設(shè)計(jì)參數(shù).

至此,變壓器的所需參數(shù)已經(jīng)計(jì)算完成,根據(jù)這些設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了變壓器制作,如圖3所示.

3 結(jié)束語(yǔ)

利用圖 1所示的原理電路對(duì)小型高壓變壓器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz,占空比為 0.5,采用高壓探針對(duì)高壓電容電壓進(jìn)行探測(cè),探測(cè)比例1 000∶1,示波器縱坐標(biāo)表示電容電壓(1 V/格),橫坐標(biāo)表示時(shí)間(20 ms/格).示波器結(jié)果如圖4所示.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,充電電壓為 2 500 V,電路工作正常.說(shuō)明該小型高壓變壓器設(shè)計(jì)成功,達(dá)到了使用要求.

圖4 高壓脈沖功率電路實(shí)驗(yàn)波形Fig.4 Test waveform of high voltage pulse power circuit

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