高压隔离脉冲变压器设计

高压隔离脉冲变压器 摘　要:介绍了高压隔离脉冲变压器对铁心材料的要求及低Br 超微晶合金磁性能对脉冲波形各参数内在的关系,并简单叙述应用和实验结果。 关键词:雷达发射机;脉冲变压器; 高压隔离; 超微晶 1​ 引　言 高压隔离脉冲变压器在雷达发射机浮动板调制器中得到了广泛的应用,随着脉冲技术的 发展,此类脉冲变压器成为浮动板调制器中的关键件,其要求变换脉冲宽度从几微秒到几百微秒,重复频率从几百赫兹到几千赫兹,高压隔离电压从几千伏到几百千 伏,并要求脉冲波形失真度小,以及重量轻,体积小,工作时变压器要求可靠稳定。在设计此类脉冲变压器时采用超微晶合金低B r ,高脉冲磁导率的铁心,能较好地解决上述问。 2 　问题的提出 在浮动板调制器设计中,高压隔离脉冲变压器是必不可少的。它要求体积小,其电路图见图1 。电性能参数如下: 脉冲宽度: t d = 4～120μs 脉冲前沿: t r ≤0. 2μs 脉冲电压: U1 = 15V 变压比: n = 2∶1 次级负载阻抗:50Ω 初次级绕组高压隔离电压:10kV 顶降:λ≤3 % 综合以上脉冲变压器的各项技术指标的要求,要提供高质量的脉冲变压器,必须有一个高质量的铁心,它是脉冲变压器成败的关键。 2​ 铁心对脉冲变压器电性能的影响 从脉冲变压器的理论和实践证明,铁心是脉冲变压器的核心,其磁性能的指标直接影响脉冲变压器的性能。而此种高压隔离变压器的脉冲宽度和重复频率变化范 围很大,既要适应窄脉冲、高重复频率的工作状态,又要适应宽脉冲、低重复频率的工作状态,而且要求输出波形的前沿和顶部失真小。因此,必须了解铁心磁性能 能否满足波形的需要,这样就有必要了解铁心磁性能和变压器电性能参数之间的关系。 在研究脉冲变压器铁心物理现象时,变压器绕组的电阻、漏感以及分布电容的数值都很小。为了研究问题的方便,假设这些参数都等于零。 假设脉冲变压器的次级绕组开路, 在初次级绕组上施加电压为U1 为常数的阶越脉冲。根据电磁感应定律,所加的电压和绕组中的电势相等。 我们知道,要减小脉冲变压器输出波形的前沿失真,必须要使漏感和分布电容减到最小值。减小漏感和分布电容的方法,除使绕组结构形式得到改善外,最有效、最简单的方法是提高ΔB值,减小绕组的匝数,使脉冲前沿陡直。从下面的脉冲前沿与ΔB值的关系可十分清楚地得到证明: 式中, K与脉冲变压器绕组结构形式有关的系数。 从式中可以看出, U1和t d是给定的指标要求,当铁心截面积Sc和常数K一定时,磁感应增量ΔB值越高,则脉冲前沿t r保持基本不变时,ΔB值越高,则铁心截面积S c可以得到减小,从而减小了脉冲变压器的体积。 在脉冲顶部时间里,对脉冲变压器脉冲波形顶部发生作用的参数只有励磁电流。电路阻抗和脉冲源动态内阻。从脉冲顶部瞬态特性推导出来的顶降的计算公式为 式(5)、(6)表明,脉冲顶降λ与励磁电感L m成反比,而励磁电感L m与脉冲磁导率μp成正比,在其它条件相同的情况下,当脉冲磁导率μp越高,则顶降λ就越小。 通过以上可以看出,对铁心的磁性能的各种参数对脉冲变压器电性能影响是至关重要的,同时设计高品质的脉冲变压器是必不可少的, 因此必须选择具有高Bs（铁心材料本身具备最大的磁感应强度） , 低B r（磁感应强度）,高脉冲磁导率μp（脉冲磁导率）的材料。经过一段时间实践,逐步摸索,对几种磁性材料的性能反复比较,终于发现只有低B r 超微晶合金才能满足高压隔离脉冲变压器电性能的要求。 4 　低B r 超微晶合金的磁性能 低B r 超微晶合金具有优异的直流磁性能, 低高频损耗, 以及很好的脉冲磁性能。另外,它的磁稳定性和热稳定性均较好。因此,它引起了冶金部门和应用部门的极大关注,其应用范围不断扩大。 4.1 　低Br 超微晶合金直流磁性能 4.2 　脉冲磁性能 低B r 超微晶合金的脉冲磁性能特别优异, 其磁感应增量ΔB 值和相对的脉冲磁导率极高,优于其它软磁合金。表1 和表2 分别给出了1μs 和40μs 两种脉冲宽度下的脉冲磁性能。 5 　高压隔离脉冲变压器的制作及测试 5.1 　　脉冲性能比较试验 通过以上对几种铁心材料在脉冲状态下磁性能进行比较后, 认为低B r超微晶合金铁心具有低B r,高Bs,高磁导率μp 的优势。同时又进行了比较试验,目的是验证低B r 超微晶铁心在高压隔离脉冲变压器应用中的优越性。在脉冲电路中对几种铁心材料进行了脉冲性能的实验,其数据表明低B r 超微晶铁心具有明显地优势,其测试数据见表3 。 5.2 　高压隔离脉冲变压器的制作及测试 根据变压器电性能指标的要求,综合以上几种材料磁性能比较,确定采用低B r 超微晶铁心,其铁心尺寸为“ 16/ “ 31 ×15 ,按变压器电性能的要求确定初次级绕组的匝数, 其磁感应增量ΔB 值、脉冲磁导率μp 值均选择在磁化曲线非饱和磁滞回线范围内。初次级绕组分组沿铁心均匀绕制。铁心内层及绕组间均采用聚四氟乙烯薄膜和聚恶二唑纸作主绝缘,以确保耐压可靠。 同时,要保证变压器漏感分布电容与负载阻抗相匹配,外部采用环氧树脂全灌注的形式。经过多次绕制,结合电路试验以及对脉冲波形进行测试,脉冲波形完全满足 技术指标要求,脉冲宽度t d = 4～120μs ,脉冲前沿t r ≤0. 2μs ,前沿上升处略有上升顶冲,顶降λ< 3 %,变压器能够承受10kV 的耐压试验,外形尺寸完全符合设计指标的要求。经过长时间的使用,变压器性能稳定,工作可靠。 6 　结　论 经过共同努力,我们认为低B r 超微晶铁心性能优良,价格合理,对于变压器小型化具有 广泛的市场,在此基础上又对30kV 高压隔离脉冲变压器、脉冲电流互感等方面的设计都得到了充分的应用。 参考文献: [1 ] 　低剩磁损耗超微晶软磁材料的研究和应用[ R]1 首钢总公司冶金研究院鉴定材,19911 [2 ] 　脉冲变压器设计、制造、测量[ R]1 首钢总公司冶金研究院鉴定材料,19841