高壓大功率反激變壓器

電路設(shè)計(jì)最小開關(guān)周期為50s，負(fù)載電容為200nF，輸出電壓峰值25 kV，最大電壓上升率40 kV/ms。直流電壓源Ud工作電壓420 V，開關(guān)S選用3.3 kV/1000 A高壓大功率IGBT，硅堆D選用40 kV/20 A高壓快恢復(fù)硅堆。在此條件下，反激變壓器主要參數(shù)確定如下。

1)高壓繞組電感L2: L:取值應(yīng)保證任一開關(guān)周期，變壓器全部?jī)?chǔ)能向負(fù)載電容快速轉(zhuǎn)移;同時(shí)應(yīng)使能量轉(zhuǎn)移電流i:在硅堆D的電流耐受范圍之內(nèi)。據(jù)此設(shè)計(jì)L:為2.9 mH 。

2)繞組匝比n(NzlN1): n取值應(yīng)保證任一開關(guān)周期，電源饑向變壓器低壓繞組N1快速儲(chǔ)能;同時(shí)應(yīng)使儲(chǔ)能電流i,在開關(guān)S的電流耐受范圍之內(nèi)，以及使開關(guān)S和硅堆D的電壓應(yīng)力不超出各自的電壓耐受能力。

3)儲(chǔ)能峰值E' Tmax:根據(jù)負(fù)載電容上的電壓峰值25kV和最大電壓上升率40 kV/ms，計(jì)算可得開關(guān)周期變壓器儲(chǔ)能峰值ETmax不低于9.6J。

根據(jù)上述電路工作特點(diǎn)和反激變壓器技術(shù)參數(shù)，與開關(guān)電源應(yīng)用相比， 反激變壓器的物理實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于:

1)需要設(shè)計(jì)體積緊湊且儲(chǔ)能分布相對(duì)集中的變壓器電磁結(jié)構(gòu)，以解決10J左右的磁能儲(chǔ)存問(wèn)題;

2)需要在滿足高壓大功率及儲(chǔ)能要求的設(shè)計(jì)條件下，盡可能提高繞組藕合系數(shù)，以減少漏磁和降低開關(guān)在關(guān)斷大電流時(shí)的暫態(tài)電壓應(yīng)力，解決高壓大功率電力電子器件的選型問(wèn)題;

3)需要盡可能減小高頻下的變壓器功率損失，以實(shí)現(xiàn)電路的最大電壓輸出能力。以下將圍繞上述技術(shù)難點(diǎn)研究 變壓器電磁設(shè)計(jì)方案 。

1)變壓器體積緊湊，儲(chǔ)能相對(duì)集中，并有利于新型沖擊電壓發(fā)生裝置的緊湊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);

2)變壓器繞組藕合系數(shù)高，由漏磁產(chǎn)生的開關(guān)最大暫態(tài)電壓應(yīng)力經(jīng)計(jì)算在3.3 kV左右，可選擇合適的全控型開關(guān)器件，解決了裝置核心電路中高壓大功率電力電子器件的選型問(wèn)題;

3)變壓器高頻功率損失經(jīng)計(jì)算占其傳遞有效功率的比例小于1%，從工程意義上可以忽略，有利于實(shí)現(xiàn)裝置核心電路的最大電壓輸出能力。

4)研制變壓器樣機(jī)用于高壓大功率電容可控充電試驗(yàn)，試驗(yàn)電路輸出電壓峰值達(dá)到23.5 kV，最大上升率達(dá)到40 kV/ms，實(shí)現(xiàn)了波前連續(xù)可控的沖擊電壓波形，驗(yàn)證了變壓器設(shè)計(jì)性能指標(biāo)與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，變壓器技術(shù)性能滿足應(yīng)用要求 。2100433B

實(shí)驗(yàn)室條件下利用長(zhǎng)空氣間隙放電開展雷電上行先導(dǎo)模擬試驗(yàn)研究，需要在間隙上施加波前由緩變陡近似呈單調(diào)指數(shù)上升的MV級(jí)沖擊電壓波形，以準(zhǔn)確模擬雷電先導(dǎo)自云端向大地發(fā)展過(guò)程中地面物體附近電場(chǎng)的時(shí)域變化特征。傳統(tǒng)的Marx型沖擊電壓發(fā)生器只能輸出雙指數(shù)波形而無(wú)法滿足電場(chǎng)等效模擬的要求。在現(xiàn)代電力電子技術(shù)和高壓大功率電力電子器件快速發(fā)展的背景下，利用電容可控充電方法實(shí)時(shí)控制容性負(fù)載的電壓爬升過(guò)程以構(gòu)建新型原理的MV級(jí)沖擊電壓發(fā)生裝置，使雷電上行先導(dǎo)試驗(yàn)中電場(chǎng)時(shí)變特征等效模擬問(wèn)題的解決成為現(xiàn)實(shí)。

據(jù)此，新型沖擊電壓發(fā)生裝置的核心電路。該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制和輸入輸出隔離的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率電容可控充電功能。電路采用了開關(guān)電源中常見的反激變換拓?fù)?，但與開關(guān)電源穩(wěn)壓輸出要求不同的是，其輸出目標(biāo)是通過(guò)控制容性負(fù)載充電過(guò)程以獲得波前連續(xù)可控的沖擊電壓。電路最高輸出電壓幾十kV、最大輸出功率達(dá)上百kW、開關(guān)周期最大充電能量可達(dá)數(shù)，這些參數(shù)比開關(guān)電源的要求至少高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。反激變壓器作為反激變換拓?fù)渲械年P(guān)鍵元件，在電路中承擔(dān)能量藕合傳遞的重要功能。為基于該拓?fù)潆娐纷罱K構(gòu)建新型沖擊電壓發(fā)生裝置，需要針對(duì)高壓大功率電容可控充電的電路應(yīng)用特點(diǎn)，重點(diǎn)研究反激變壓器的電磁結(jié)構(gòu)問(wèn)題 。

高壓大功率反激變壓器磁芯結(jié)構(gòu)

研究的反激變壓器工作在20 kHz高頻開關(guān)模式，首先應(yīng)考慮選用軟磁鐵氧體、鐵基非晶合金和金屬磁粉芯等適于高頻條件下工作的磁芯材料。對(duì)比列出了市場(chǎng)上典型的R2KB型MnZn功率鐵氧體、1K101鐵基非晶合金和FeSiAI磁粉芯等三種磁芯材料的性能參數(shù)。鐵基非晶合金磁芯一般采用約30 mm厚且寬度最大不超過(guò)300 mm的薄帶材疊層繞制而成，常見的磁芯型式為環(huán)形或矩形拼接式。 設(shè)計(jì)變壓器磁芯結(jié)構(gòu)為帶集中切口氣隙的跑道環(huán)形磁芯。該結(jié)構(gòu)在磁芯的一側(cè)芯柱集中開有氣隙，而在對(duì)側(cè)芯柱同心繞制高、低壓繞組，采用氣隙與繞組分開布置的方式可有效減小氣隙邊緣效應(yīng)以優(yōu)化繞組磁密分布。通過(guò)計(jì)算分析 的具體磁芯參數(shù)，磁芯采用寬度70 mm的帶材繞制，繞制厚度60mm磁芯結(jié)構(gòu)寬度190 mm和繞組窗口寬度70 mm。繞組窗口長(zhǎng)度lW和切口氣隙長(zhǎng)度鬼為待設(shè)計(jì)參數(shù)，二者需在繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上確定。

高壓大功率反激變壓器繞組結(jié)構(gòu)

一種高、低壓繞組在單側(cè)磁柱上同心繞制的繞組結(jié)構(gòu)。繞制過(guò)程中高、低壓繞組均采用單層繞法且通過(guò)繞組參數(shù)設(shè)計(jì)保證繞制長(zhǎng)度相等。該結(jié)構(gòu)可有效減小繞組端部邊緣效應(yīng)和繞組間漏感。根據(jù)繞組間絕緣要求，在低壓繞組與磁芯間以及高、低壓繞組之間分別設(shè)置厚2mm和8mm的固體絕緣層。

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