基于MARX發(fā)生器應(yīng)用的15kV變壓器設(shè)計(jì)

富宇

摘 要：本文通過(guò)使用PSPICE仿真軟件對(duì)15KV高壓高頻變壓器進(jìn)行電路仿真，在此基礎(chǔ)上，采用麥克萊曼法對(duì)該變壓器進(jìn)行實(shí)際的分析計(jì)算，最后設(shè)計(jì)出變壓器實(shí)物，通過(guò)測(cè)試獲得較好的效果。

關(guān)鍵詞：高頻高壓變壓器；PSPICE仿真；麥克萊曼設(shè)計(jì)法

中圖分類號(hào)： TM241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）13-139-2

0 引言

Marx發(fā)生器在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越多的使用，它主要是一種利用電容并聯(lián)充電再串聯(lián)放電的高壓裝置，一般地，為了提高M(jìn)arx發(fā)生器的工作效率，要求對(duì)其充電的高壓直流電源裝置可以快速地充放電，且該電源裝置需要工作在較高的頻率上。而在逆變開關(guān)技術(shù)以及新的磁芯材料大量使用之前，大部分的充電電源都采用老舊的、工作頻率較低的變壓器完成主要工作，變壓器的工作頻率和普通交流電工作頻率一致，導(dǎo)致整個(gè)電源轉(zhuǎn)換效率低下，充電時(shí)間變長(zhǎng)，很難滿足Marx發(fā)生器使用要求，導(dǎo)致工作效率降低[1]。由于新技術(shù)新材料的應(yīng)用，讓生產(chǎn)使用高壓高頻變壓器的充電電源成為可能，在Marx發(fā)生器中，逆變升壓以及整流電路是整個(gè)Marx發(fā)生器充電電源的主要組成部分，而變壓器的設(shè)計(jì)的好壞及其性能是整個(gè)電源的重中之重，本文通過(guò)對(duì)影響高壓高頻變壓器性能的主要參數(shù)進(jìn)行分析，建立等效電路模型，通過(guò)PISPICE軟件進(jìn)行仿真，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在選擇合適的磁芯并采用麥克萊曼方法計(jì)算參數(shù)后繞制出符合Marx發(fā)生器使用的15kV變壓器成品。

1 變壓器的模型與仿真電路

1.1 變壓器電路模型

在變壓器的使用中，實(shí)際上寄生參數(shù)是始終客觀存在的，變壓器工作在低頻狀態(tài)時(shí)，變壓器繞組之間形成的寄生參數(shù)變化不大，對(duì)電路工作的影響也比較小，因此在實(shí)際應(yīng)用中往往忽略不計(jì)，但是隨著開關(guān)頻率的提高，分布參數(shù)對(duì)變壓器性能的影響將越發(fā)嚴(yán)重。

在高壓高頻變壓器中，影響其工作性能的主要參數(shù)有：勵(lì)磁電感、分布電容以及漏感等。其中分布電容和漏感的影響更為嚴(yán)重。

對(duì)于分布電容來(lái)說(shuō)，分布電容主要寄生在變壓器初次級(jí)繞組之間，繞組中匝與匝之間，繞組與磁芯之間，影響電容值大小的因素主要是變壓器繞組的結(jié)構(gòu)、介電常數(shù)以及絕緣程度等等。 變壓器繞制時(shí)可采用不同的繞組結(jié)構(gòu)，這時(shí)產(chǎn)生的層間電容也不盡相同，一般情況下，在變壓器高壓輸出側(cè)采用多段繞制，多繞組串聯(lián)，在每個(gè)繞組層數(shù)一定的情況下，繞組個(gè)數(shù)越多，分布電容就越小。研究表明采用“錐型”繞制或“Z”型繞制方法能夠有效降低等效分布電容，提高變壓器的頻率特性，在單層匝數(shù)不多時(shí)這種效果更明顯，而且提高了變壓器的絕緣等級(jí)[3]。

漏感是因?yàn)樽儔浩饕唤M線圈到另一組磁通量不完全耦合而產(chǎn)生的電感分量，也就是說(shuō)，漏感的產(chǎn)生是因?yàn)槌醮渭?jí)之間、匝與匝之間、層與層之間磁通沒(méi)有完全耦合形成的[4]，漏感與初次級(jí)繞組間耦合程度密切相關(guān)。變壓器的功率輸出和變壓器漏感中耦合的能量是有直接關(guān)系的，同時(shí)漏感的大小關(guān)系到高壓高頻變壓器的銅損和鐵損，也影響到變壓器的散熱問(wèn)題。漏感還可以與變壓器線圈的分布電容和電路中的分布電容組成振蕩回路，造成電磁干擾。而且，漏感的存在會(huì)在開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，對(duì)電路中使用的開關(guān)管，如IGBT等造成損壞。因此在設(shè)計(jì)中還需盡可能的減小漏感。

根據(jù)以上分析，在變壓器等效電路分析中，考慮漏感以及分布電容對(duì)變壓器的性能的影響，將次級(jí)的漏感、繞組電阻以及分布電容采用折算的方法，折合到初級(jí)側(cè)，可以得到圖1的等效電路。

圖中：L1是變壓器勵(lì)磁電感，Ls是變壓器漏感，C1和C′s是變壓器分布電容，r1和r′2是變壓器繞組電阻。

1.2 PSPICE仿真及結(jié)果

使用PSPICE軟件仿真，是因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)大的電路模擬仿真功能，可以電路圖方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計(jì)算電路，可以用于電路分析和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述圖1的高壓高頻變壓器等效電路，采用PSPICE對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)地仿真。

由于設(shè)計(jì)的變壓器工作在高頻，幾十千赫茲，分布電容和漏感這兩個(gè)參數(shù)互相之間還存在影響，一般情況下，當(dāng)分布電容減小時(shí)，漏感會(huì)增大，反之，漏感減小時(shí)，分布電容會(huì)增大，所以在仿真和實(shí)際設(shè)計(jì)中，這是一對(duì)矛盾體，不可能同時(shí)減小分布電容和漏感對(duì)變壓器帶來(lái)的影響，因此在變壓器仿真時(shí)，根據(jù)仿真模型，對(duì)分布電容和漏感取不同的值，根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整參數(shù)的設(shè)置，從而得到最優(yōu)化的分布電容和漏感值。在此基礎(chǔ)上給出一種較好的仿真結(jié)果，如圖3所示。

2 變壓器設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的分析及仿真結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中只能采用折中的方法解決分布電容和漏感兩個(gè)參數(shù)的取值，而采用磁計(jì)算的麥克萊曼的變壓器設(shè)計(jì)方法采取的就是這樣的一種方法。

該方法從變壓器采用的磁器件的功率處理能力著手，選擇不同的磁芯，計(jì)算繞組的匝數(shù)，線徑等參數(shù)，功率處理能力一般用面積Ap表示，其值在物理意義上等于所選型號(hào)的磁芯的窗口Wa面積和磁芯的橫截面積Ac的乘積[5]。

需設(shè)計(jì)的15kV高壓高頻變壓器主要外部參數(shù)為：初級(jí)輸入電壓155V；次級(jí)輸出電壓15kV；輸出功率為0.3kW，變壓器工作頻率為35kHz。

通過(guò)麥克萊曼法計(jì)算相應(yīng)參數(shù)后，得到初級(jí)線圈為29匝，選取3股導(dǎo)線繞制，每股導(dǎo)線截面積為0.2753mm2；次級(jí)線圈為3741匝，二次繞組導(dǎo)線橫截面積為0.0165mm2，1股導(dǎo)線即可滿足。

在本次設(shè)計(jì)中采用的是UY-16型鐵氧體磁芯，為減少漏感對(duì)變壓器性能的影響，采用分段繞制的方法，而且由于Marx發(fā)生器充電使用直流電源，因此將高壓硅堆制成的整流橋連接在次級(jí)繞組的輸出端，最后采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封并固化，制成變壓器成品。

3 結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)完成后，將本次設(shè)計(jì)所得的高壓高頻變壓器與Marx發(fā)生器的其他電路連接起來(lái)，該Marx發(fā)生器可在0～25kV之間調(diào)整進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)采用1：1000的高壓探頭，測(cè)量結(jié)果如圖4所示，直流輸出高壓15kV，經(jīng)過(guò)整流后的直流充電電壓穩(wěn)定，可以滿足Marx發(fā)生器的應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 江偉華，張弛.脈沖功率系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.11：46-57.

[2] 王杰，等.PSPICE在軟件電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子科技.

[3] 齊瑋，等.通信電源技術(shù)，2008，25（3）.

[4] EPC高頻變壓器分布參數(shù)及其影響的分析.

[5] 2012麥克萊曼.變壓器與電感器設(shè)計(jì)手冊(cè)：第三版[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.