[科普中国]-高压大功率反激变压器

简介

实验室条件下利用长空气间隙放电开展雷电上行先导模拟试验研究，需要在间隙上施加波前由缓变陡近似呈单调指数上升的MV级冲击电压波形，以准确模拟雷电先导自云端向大地发展过程中地面物体附近电场的时域变化特征。传统的Marx型冲击电压发生器只能输出双指数波形而无法满足电场等效模拟的要求。在现代电力电子技术和高压大功率电力电子器件快速发展的背景下，利用电容可控充电方法实时控制容性负载的电压爬升过程以构建新型原理的MV级冲击电压发生装置，使雷电上行先导试验中电场时变特征等效模拟问题的解决成为现实。

据此，新型冲击电压发生装置的核心电路。该电路具有结构简单、易于控制和输入输出隔离的优点，可以实现高压大功率电容可控充电功能。电路采用了开关电源中常见的反激变换拓扑，但与开关电源稳压输出要求不同的是，其输出目标是通过控制容性负载充电过程以获得波前连续可控的冲击电压。电路最高输出电压几十kV、最大输出功率达上百kW、开关周期最大充电能量可达数，这些参数比开关电源的要求至少高两个数量级。反激变压器作为反激变换拓扑中的关键元件，在电路中承担能量藕合传递的重要功能。为基于该拓扑电路最终构建新型冲击电压发生装置，需要针对高压大功率电容可控充电的电路应用特点，重点研究反激变压器的电磁结构问题1。

技术要求电路设计最小开关周期为50s，负载电容为200nF，输出电压峰值25 kV，最大电压上升率40 kV/ms。直流电压源Ud工作电压420 V，开关S选用3.3 kV/1000 A高压大功率IGBT，硅堆D选用40 kV/20 A高压快恢复硅堆。在此条件下，反激变压器主要参数确定如下。

1)高压绕组电感L2: L:取值应保证任一开关周期，变压器全部储能向负载电容快速转移;同时应使能量转移电流i:在硅堆D的电流耐受范围之内。据此设计L:为2.9 mH 。

2)绕组匝比n(NzlN1): n取值应保证任一开关周期，电源饥向变压器低压绕组N1快速储能;同时应使储能电流i,在开关S的电流耐受范围之内，以及使开关S和硅堆D的电压应力不超出各自的电压耐受能力。

3)储能峰值E' Tmax:根据负载电容上的电压峰值25kV和最大电压上升率40 kV/ms，计算可得开关周期变压器储能峰值ETmax不低于9.6J。

根据上述电路工作特点和反激变压器技术参数，与开关电源应用相比， 反激变压器的物理实现难点在于:

1)需要设计体积紧凑且储能分布相对集中的变压器电磁结构，以解决10J左右的磁能储存问题;

2)需要在满足高压大功率及储能要求的设计条件下，尽可能提高绕组藕合系数，以减少漏磁和降低开关在关断大电流时的暂态电压应力，解决高压大功率电力电子器件的选型问题;

3)需要尽可能减小高频下的变压器功率损失，以实现电路的最大电压输出能力。以下将围绕上述技术难点研究 变压器电磁设计方案1。

电磁设计磁芯结构研究的反激变压器工作在20 kHz高频开关模式，首先应考虑选用软磁铁氧体、铁基非晶合金和金属磁粉芯等适于高频条件下工作的磁芯材料。对比列出了市场上典型的R2KB型MnZn功率铁氧体、1K101铁基非晶合金和FeSiAI磁粉芯等三种磁芯材料的性能参数。铁基非晶合金磁芯一般采用约30 mm厚且宽度最大不超过300 mm的薄带材叠层绕制而成，常见的磁芯型式为环形或矩形拼接式。 设计变压器磁芯结构为带集中切口气隙的跑道环形磁芯。该结构在磁芯的一侧芯柱集中开有气隙，而在对侧芯柱同心绕制高、低压绕组，采用气隙与绕组分开布置的方式可有效减小气隙边缘效应以优化绕组磁密分布。通过计算分析 的具体磁芯参数，磁芯采用宽度70 mm的带材绕制，绕制厚度60mm磁芯结构宽度190 mm和绕组窗口宽度70 mm。绕组窗口长度lW和切口气隙长度鬼为待设计参数，二者需在绕组结构设计的基础上确定。

绕组结构一种高、低压绕组在单侧磁柱上同心绕制的绕组结构。绕制过程中高、低压绕组均采用单层绕法且通过绕组参数设计保证绕制长度相等。该结构可有效减小绕组端部边缘效应和绕组间漏感。根据绕组间绝缘要求，在低压绕组与磁芯间以及高、低压绕组之间分别设置厚2mm和8mm的固体绝缘层。

总结1)变压器体积紧凑，储能相对集中，并有利于新型冲击电压发生装置的紧凑化结构设计;

2)变压器绕组藕合系数高，由漏磁产生的开关最大暂态电压应力经计算在3.3 kV左右，可选择合适的全控型开关器件，解决了装置核心电路中高压大功率电力电子器件的选型问题;

3)变压器高频功率损失经计算占其传递有效功率的比例小于1%，从工程意义上可以忽略，有利于实现装置核心电路的最大电压输出能力。

4)研制变压器样机用于高压大功率电容可控充电试验，试验电路输出电压峰值达到23.5 kV，最大上升率达到40 kV/ms，实现了波前连续可控的冲击电压波形，验证了变压器设计性能指标与实测结果基本一致，变压器技术性能满足应用要求1。