基于絕緣芯平面變壓器的新型高壓直流電源的調(diào)試及輸出特性

田佳甲 劉永好 張金玲 李瑞 盧宋林 李德明

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基于絕緣芯平面變壓器的新型高壓直流電源的調(diào)試及輸出特性

田佳甲1,2劉永好1張金玲1李瑞1盧宋林1李德明1

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū) 上海 201800）;2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

介紹了一種以絕緣芯平面變壓器為核心部件的新型高壓直流電源的原理和基本結(jié)構(gòu)，并給出了自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的參數(shù)。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了調(diào)試，并測(cè)量了不同負(fù)載下電源的輸出特性，發(fā)現(xiàn)在負(fù)載較重時(shí)電源會(huì)出現(xiàn)明顯的壓降。建立合理的等效電路和參數(shù)模型，對(duì)導(dǎo)致壓降的原因進(jìn)行了理論分析，進(jìn)而提出了相應(yīng)的解決方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果證明，在負(fù)載較重時(shí)，絕緣芯平面變壓器中的壓降主要由漏磁引起，此問(wèn)題通過(guò)調(diào)整功率因數(shù)解決。

絕緣芯平面變壓器，輸出特性，漏磁，功率因數(shù)

20世紀(jì)50年代開(kāi)始，絕緣磁芯變壓器(Isolated Core Transformer, ICT)作為高壓發(fā)生器被用于輻照加速器中[1]。ICT型加速器的束流功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量轉(zhuǎn)換效率高、價(jià)格和維護(hù)成本較低，被廣泛應(yīng)用于輻照工業(yè)及污水廢氣處理[2]。但由于工作頻率低，ICT電源體積大、儲(chǔ)能高，限制了它的應(yīng)用。絕緣芯平面變壓器(Planar Isolated Core Transformer, PICT)兼具ICT和平面變壓器的特點(diǎn)，是將ICT高頻化的一個(gè)理想方案[3?4]。

PICT型高壓直流電源本質(zhì)是一種大功率開(kāi)關(guān)電源變壓器，核心功率轉(zhuǎn)換部分由逆變電路和PICT構(gòu)成。PICT的磁芯采用鐵氧體材料，次級(jí)繞組和整流電路布置在印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)上，多層PCB串聯(lián)后可獲得數(shù)百千伏的直流電壓。

PICT型電源于20世紀(jì)90年代開(kāi)始在國(guó)外發(fā)展，相比低頻電源，同等性能指標(biāo)下PICT型電源體積小、功率密度高、儲(chǔ)能低、可靠性高和組裝性能好[5?6]，有望成為1MV以下大功率直流高壓電源的主流發(fā)展方向。

1 PICT型電源的工作原理及主要參數(shù)

研究小組設(shè)計(jì)建造了一臺(tái)PICT型電源的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，它的工作模塊如圖1所示。

圖1 PICT型電源的工作模塊

電網(wǎng)供給的三相交流電壓0(380V, 50Hz)經(jīng)調(diào)壓器得到峰值為p的交流電壓，由整流濾波電路變換成直流，經(jīng)H橋逆變后獲得頻率為33kHz的脈沖方波輸入到PICT中。圖2是PICT的主要結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 PICT的主要結(jié)構(gòu) 1：鐵氧體磁芯，2：PCB板，3：初級(jí)線圈，4：電暈環(huán)，5：支撐結(jié)構(gòu)

圖2中PICT初級(jí)繞組匝數(shù)1=5，次級(jí)由27層PCB板構(gòu)成，每層PCB板包含32個(gè)單元，每單元包含匝數(shù)2=2的次級(jí)線圈及整流倍加模塊，次級(jí)線圈總匝數(shù)為2。PCB板依次串聯(lián)獲得直流高壓，相鄰PCB板間電位不同，通過(guò)絕緣膜隔離（圖2中未畫(huà)出）。PICT工作在SF6或N2中，直徑約為550mm，高度為500mm。其理論輸出為：

2 PICT電源的調(diào)試

圖3是加工完成并嵌入磁芯薄片的PCB單元以及組裝完成即將在鋼筒中調(diào)試的PICT。PCB單元采用貼片元件，在次級(jí)線包中間留出空間放置磁芯薄片，再用粘合劑固定。多層PCB板通過(guò)圖3(a)中左下和右上的焊點(diǎn)連接，從頂端高壓帽引出電壓。

PCB單元有很強(qiáng)的帶載能力，單層PCB板初級(jí)輸入500V的方波時(shí)，輸出電壓約為12kV，接120kΩ負(fù)載，負(fù)載電流為100mA。維持20min后磁芯、線路和元件沒(méi)有明顯的升溫，說(shuō)明PCB單元可以輸出較高的電流和功率，且損耗較小。

PICT的設(shè)計(jì)指標(biāo)：初級(jí)線圈匝數(shù)p=5；次級(jí)線圈匝數(shù)s=1 728；工作頻率=33kHz；輸入電壓范圍20?380V；方波占空比0.45；鐵氧體磁導(dǎo)率r=2400；初級(jí)電感量p=70mH；最大輸出電壓out=300kV；最大輸出電流=100mA；PCB板間耐壓25kV。

課題組進(jìn)行了空載和帶載的初步調(diào)試實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)中的開(kāi)關(guān)電源的額定功率為1.8kW，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 PICT調(diào)試結(jié)果

在帶載實(shí)驗(yàn)中，局限于開(kāi)關(guān)電源的功率，在輸出電壓達(dá)到100kV后沒(méi)有進(jìn)一步提升。從表1可以看到，PICT在空載和帶載運(yùn)行時(shí)都能維持較高的變比，但明顯低于設(shè)計(jì)參數(shù)，并且負(fù)載變重時(shí)PICT的壓降也會(huì)增大。因此，樣機(jī)在調(diào)試中面臨的主要問(wèn)題是壓降問(wèn)題。

文獻(xiàn)[7?8]是電源搭建初期對(duì)PICT的研究，對(duì)包含5層PCB板的PICT的空載特性（負(fù)載電流約為50μA）進(jìn)行了討論。實(shí)驗(yàn)顯示在PCB板層數(shù)較多以及帶載運(yùn)行時(shí)PICT會(huì)表現(xiàn)出不同的特性。

3 壓降原因分析

PICT的壓降主要有兩個(gè)原因：

第一，內(nèi)阻和絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的分壓。這是因?yàn)镻ICT初級(jí)電感量小，導(dǎo)致初級(jí)電流很大，尤其是勵(lì)磁電流可以達(dá)到數(shù)十安培。

第二，絕緣膜導(dǎo)致的漏磁。絕緣膜的磁導(dǎo)率接近1，在主磁路中相當(dāng)于氣隙，會(huì)引起旁路磁通[9]，如圖4所示。

圖4 旁路磁通示意圖

由圖4可知，旁路磁通使距離初級(jí)線圈較遠(yuǎn)的次級(jí)線圈的磁耦合率降低，引起頂層PCB板的壓降，例如次級(jí)線圈A的輸出電壓會(huì)低于次級(jí)線圈B。漏磁在電路中等效為漏感，將27層PCB板從下到上編號(hào)為=1, 2, …, 27，對(duì)第層PCB板，漏感kn的大小隨高度增大，即k1最小，k27最大。

漏感中會(huì)儲(chǔ)存一部分無(wú)功功率，引起輸出電壓和效率的降低。但漏感在負(fù)載較重時(shí)才會(huì)引起比較明顯的壓降，這是PICT中的漏感和分布電容的互相作用導(dǎo)致的。

PICT的分布電容包括次級(jí)繞組匝間電容、上下層PCB板間電容和初次級(jí)繞組之間的電容，大小通常為pF量級(jí)，因此可以用含三個(gè)電容的高頻變壓器二端口網(wǎng)絡(luò)電路[10]來(lái)模擬PICT。因此在計(jì)入漏感、內(nèi)阻和分布電容時(shí)，PICT基本單元的電路如圖5所示。圖5中p和s為初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的電感，p和s為原邊和副邊的內(nèi)阻，L為負(fù)載電阻，kp和ks為原邊和副邊的漏感，p和s為初級(jí)和次級(jí)的分布電容，ps為初次級(jí)之間的分布電容。

為便于分析，將圖5中的電路做以下簡(jiǎn)化：一，將非線性的倍加整流電路部分簡(jiǎn)化為一個(gè)等效的負(fù)載電阻；二，忽略原副邊的內(nèi)阻；三，忽略初次級(jí)繞組間和PCB板間的電容。將初級(jí)參數(shù)映射到次級(jí)，得到圖6中的Γ型電路。

圖6 簡(jiǎn)化后的Γ型等效電路

從圖6可以看出，電容所起的作用取決于與其并聯(lián)的等效電阻'L的阻抗高低，'L越大，電容支路與漏感k的諧振越明顯。'L與L正相關(guān)，因此對(duì)于圖5所示電路，負(fù)載L較重時(shí)，分布電容作用很小，漏感會(huì)引起輸出電壓的降低；空載時(shí)，分布電容與漏感之間的諧振會(huì)使輸出電壓升高，但因?yàn)橹岛苄?，所以不?huì)很明顯。

為對(duì)上述推論進(jìn)行驗(yàn)證，研究小組對(duì)不同負(fù)載下PICT的輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

4 PICT的輸出特性

實(shí)驗(yàn)方法是在PICT中將第1–27層PCB板接同樣大小的負(fù)載L，測(cè)量各層PCB板的電壓輸出Ln并以PCB編號(hào)為橫坐標(biāo)繪制電壓曲線。然后改變負(fù)載的大小，比較不同曲線的趨勢(shì)。

精確測(cè)量分布電容是很困難的，但可以估算一個(gè)范圍。若每個(gè)次級(jí)繞組單元的分布電容0.1pF<<10pF，那么分布電容支路的阻抗C在15kΩ?1.5MΩ。因此設(shè)計(jì)5組實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的次級(jí)單元負(fù)載L如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)所采用的負(fù)載電阻RL-數(shù)值

在負(fù)載相同時(shí)輸出電壓的大小不會(huì)影響壓降的大小，因此為測(cè)量方便，單塊PCB板的輸出電壓為1kV左右。在負(fù)載電阻較大時(shí)，為消除測(cè)量工具內(nèi)阻的影響，在負(fù)載兩端并聯(lián)分壓比為10000:1的1GΩ高壓精密電阻分壓器，對(duì)分壓器上的電壓進(jìn)行測(cè)量。

如圖7所示，L=3.75kΩ時(shí)，位置越高的PCB板的輸出電壓越小，頂層PCB板相對(duì)底層的壓降為15.4%；L=18.75kΩ時(shí)，壓降為13.2%；L=112.5kΩ時(shí)，壓降為7.3%，此時(shí)漏感與分布電容已經(jīng)產(chǎn)生明顯的諧振；接近空載時(shí)，L=937.5kΩ時(shí)，頂層PCB板的電壓略高于底層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。

5 輸出特性的改善

要增大電源的輸出、改善輸出特性就要消除漏感（漏磁）的不利影響。選用更薄的絕緣膜可以減小PICT的漏感，但電氣絕緣的要求限制了絕緣膜的最小厚度。

實(shí)驗(yàn)表明分布電容與漏感的諧振作用可以對(duì)電壓產(chǎn)生一定的補(bǔ)償，因此帶載運(yùn)行時(shí)可以考慮引入電容來(lái)補(bǔ)償電壓[7?8,11]，相當(dāng)于調(diào)整PICT的功率因數(shù)。對(duì)圖6中的電路做一個(gè)相量圖的分析，如圖8所示。

不同位置的PCB板漏感不同，在實(shí)際運(yùn)行中通常將各層PCB板補(bǔ)償?shù)捷敵鲭妷阂恢?。文獻(xiàn)[7?8]提出了一種計(jì)算補(bǔ)償電容大小的方法，但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這種方法得到的數(shù)值存在較大偏差。通過(guò)Multisim模擬可以得到精確的補(bǔ)償電容的數(shù)值。

以第27層PCB板為例，Multisim顯示需要并聯(lián)33nF的補(bǔ)償電容。實(shí)驗(yàn)小組用2.2nF、33nF和47nF的電容進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中PCB板所接的負(fù)載電阻均為120kΩ，即每單元負(fù)載L=3.75kΩ。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 補(bǔ)償電容實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如表3所示，在補(bǔ)償電容為33nF時(shí)，頂層的PCB板與底層的輸出電壓近似相等；如果將電容值增大到47nF，輸出電壓可以進(jìn)一步升高。

因此，負(fù)載較重時(shí)在分布電容的位置并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電容是可行的改善輸出特性的方法。

6 結(jié)語(yǔ)

PICT型直流高壓電源是一種具有廣闊前景的新型電源。為保證PICT有穩(wěn)定的輸出特性和高的運(yùn)行效率，在保證變壓器的電壓等級(jí)、變比、絕緣等各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求的基礎(chǔ)上，還要考慮到分布參數(shù)對(duì)輸出特性的作用。實(shí)驗(yàn)表明PICT型電源帶載能力較強(qiáng)，并且在負(fù)載較重時(shí)，可以通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ└械挠绊?，提高電源的功率因?shù)、輸出電壓和效率。

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11 Salisbury W W. Air-core transformer[P]. United States Patent: 2963669, 1960

Test and output characteristics research on high voltage DC generator based on high-frequency planar insulated core transformer

TIAN Jiajia1,2LIU Yonghao1ZHANG Jinling1LI Rui1LU Songlin1LI Deming1

1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China);2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Insulated Core Transformer (ICT)used in irradiation industry has many disadvantages on account of its low operating frequency, Planar Insulated Core Transformer (PICT) is developed for high-frequency high voltage direct current (H-V DC) generator.Purpose:This study aims to develop a novel PICT-based H-V DC for power supply less than 1 MeV, and investigate its output characteristics for the design and optimization of PICT. Methods:Preliminary test on self-designed PICT apparatus is carried out and the output characteristics under different loads are measured. Both theoretically and by Multisim PICT’s equivalent circuit and parametric model are built and the reason giving rise to voltage drop is analyzed. Emphatically, the influence of stray parameters to the output characteristics is discussed and experimental verification is also presented.Results & Conclusion: Leakage flux causes voltage drop when the load current is heavy. To eliminate the leakage flux, power coefficient must be rectified by compensation capacitor, and the relevant experimental verification shows satisfactory results. And Multisim simulation is considered to be practicable in physical design of PICT in view of good consistency with experimental result.

PICT, Output characteristic, Leakage flux, Power coefficient

TL50

TL50

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.070402

田佳甲，男，1988年出生，2012年于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為博士研究生

李德明，E-mail: lideming@sinap.ac.cn

2015-04-07，

2015-04-26