用于中子發(fā)生器加速極電源的高頻變壓器設(shè)計(jì)

劉天賜，喬 雙

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

0 引言

中子管利用加速極電源高壓將離子源產(chǎn)生的離子引出并加速轟擊靶極，與吸附在靶極上的氘氚氣體發(fā)生核反應(yīng)，從而釋放中子.按照氘氚反應(yīng)截面，為了產(chǎn)生元素分析、石油測(cè)井所需要的中子產(chǎn)額，中子管需要加-90～-120 kV的高壓.由于中子管束流一般小于100 μA，因此加速極電源的功率要求不是很高.而加速極電源中的核心部件是高頻變壓器.目前市場(chǎng)上的變壓器有的體積龐大而笨重，有的功耗大、效率低，均不適用于中子發(fā)生器.因而研制一種體積小、重量輕、低功耗的變壓器具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值.對(duì)于高頻變壓器來(lái)說(shuō)，當(dāng)電壓變化率較大時(shí)，必須考慮分布電容和漏感等因素引起的電壓波形畸變[1-4].本文的設(shè)計(jì)思路是增加去磁回路抑制變壓器偏磁問(wèn)題，采用分段分組繞制法減小分布電容.通過(guò)脈寬調(diào)制芯片SG3525輸出兩路占空比可調(diào)、相位相反的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻變壓器后輸出高壓.

1 SG3525的功能簡(jiǎn)介

圖1 SG3525芯片功能引腳圖

SG3525是美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，其內(nèi)部具有參考電壓產(chǎn)生電路、振蕩器、誤差放大器和軟啟動(dòng)控制電路等[2].通過(guò)調(diào)節(jié)SG3525的5腳電容CT和6腳電阻RT改變PWM的頻率.調(diào)節(jié)9腳COMP的補(bǔ)償電壓改變輸出脈寬.SG3525芯片功能引腳圖如圖1所示.

2 設(shè)計(jì)方案

推挽電路中變壓器雙向勵(lì)磁，通態(tài)損耗小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單.加速極電源需要輸入與輸出端隔離，因此主電路選用隔離型推挽結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)適合低壓輸入變換場(chǎng)合，鐵芯利用率高，有利于減小變壓器的體積和質(zhì)量.開(kāi)關(guān)器件選取IGBT，其耐壓為輸入電壓峰值的2倍，通過(guò)計(jì)算選取G40N60.

推挽電路由脈寬調(diào)制芯片SG3525、開(kāi)關(guān)管Q1和Q2、一個(gè)帶有中心抽頭的變壓器T和假負(fù)載組成.變壓器初級(jí)線圈由中心抽頭分為N11和N12兩部分，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的漏極各連接到N11和N12的一端，輸入電壓接在變壓器中心抽頭和兩個(gè)開(kāi)關(guān)管源極之間.UG1和UG2是開(kāi)關(guān)管柵極輸入的矩形脈沖，驅(qū)動(dòng)Q1和Q2交替導(dǎo)通.推挽變換電路如圖2所示.

圖2 推挽變換電路

3 變壓器設(shè)計(jì)

3.1 磁芯選擇

目前，變壓器磁芯材料有以下幾種：鐵氧體、坡莫合金和非晶合金.選擇磁芯材料時(shí)，磁通密度、磁導(dǎo)率、磁芯損耗以及材料價(jià)格是重要考慮因素[3-4].其中鐵氧體價(jià)格低廉，材質(zhì)與磁芯規(guī)格齊全，高頻損耗較小.它的初始磁導(dǎo)率比非晶合金低得多，磁化曲線具有緩慢飽和的特性，對(duì)于推挽變壓器的設(shè)計(jì)比較有利，同時(shí)減少偏磁的影響.綜合考慮，高頻變壓器磁芯選擇錳鋅鐵氧體.

3.2 磁通密度

為了避免高頻變壓器磁芯飽和，工作磁通密度小于飽和磁通密度的1/3.錳鋅鐵氧體飽和磁通密度為0.5 T，因此工作磁通密度為0.16 T.

3.3 磁芯參數(shù)

根據(jù)功率變壓器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，選擇雙UY16錳鋅鐵氧體磁芯(磁芯參數(shù)見(jiàn)表1)，通過(guò)計(jì)算磁芯的輸出功率，驗(yàn)證磁芯功率容量的合理性.

表1 UY16磁芯參數(shù)

3.4 變壓器設(shè)計(jì)方法

變壓器常用的設(shè)計(jì)方法有兩種，分別是AP法和Kg法[5].AP法根據(jù)變壓器傳輸功率求出磁芯窗口面積Aw與磁芯截面積Ae的乘積AP，查表找出磁芯編號(hào)，再設(shè)計(jì)變壓器原、副邊繞組[5-7].本文采用AP法設(shè)計(jì)變壓器，確定該法設(shè)計(jì)的變壓器滿足要求.

利用AP法選取磁芯的計(jì)算式為[5]

(1)

式中：PT為變壓器的視在功率(W)；Ae為磁芯截面積(mm2)；Aw為磁芯窗口面積(mm2)；Bw為磁芯工作磁通密度(T)；f為開(kāi)關(guān)頻率(Hz)；ku為波形系數(shù)，方波的波形系數(shù)取為4；kc為繞組窗口填充系數(shù)，典型值取為0.4；J為導(dǎo)線的電流密度，一般取4 A/mm2.

3.5 變壓器型號(hào)

(1)式中變壓器的視在功率與電路結(jié)構(gòu)相關(guān)[5].變壓器原邊有中心抽頭，副邊輸出交流電壓，PT計(jì)算公式為

(2)

將PO=100 W，η=0.85代入，得到PT為266 W.考慮20%的裕度，通過(guò)計(jì)算得到AP=15 585.6 mm4.查閱磁性元件手冊(cè)，選擇UY16鐵氧體磁芯，該磁芯具有較大的矩形截面積、寬窗口、形狀簡(jiǎn)單和繞制方便等優(yōu)點(diǎn)，磁芯外形結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 磁芯外形結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的變壓器磁芯，其參數(shù)選擇如下：

a=60.67 mm；b=30.50 mm；c=17.00 mm；e=18.17 mm；f=30.14 mm；Ae=176.60 mm2.

窗口面積為

AP=B×E×Ae.

(3)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，變壓器符合設(shè)計(jì)要求.

3.6 繞組匝數(shù)

(1) 原邊繞組匝數(shù)

為保證一個(gè)周期內(nèi)磁芯順利復(fù)位，電路中每個(gè)開(kāi)關(guān)管的占空比設(shè)為40%，則變壓器的原邊匝數(shù)為

(4)

式中：T為方波周期；ΔB為磁通密度變化量，等于2BW；Uinmax為變壓器原邊輸入電壓最大值.

計(jì)算可得原邊繞組匝數(shù)為22匝，由于有兩個(gè)原邊，因此原邊繞組匝數(shù)共有44匝.

(2) 副邊繞組匝數(shù)

副邊匝數(shù)可為

(5)

副邊匝數(shù)為8 800匝.

3.7 繞組導(dǎo)線的選擇

高頻變壓器輸出電壓12 kV，輸出電流6 mA，輸出功率72 W.本文將變壓器最大輸出功率設(shè)為100 W.假設(shè)變壓器效率為85%，則初級(jí)電流公式為

(6)

式中：I1為變壓器初級(jí)電流(A)；η為推挽變壓器效率；PO為輸出功率(W).

將數(shù)據(jù)帶入公式(6)中，計(jì)算可得初級(jí)電流為1.96 A.

在常規(guī)設(shè)計(jì)變壓器時(shí)繞組電流密度選取4 A/mm2(由于有中間抽頭，I1乘以0.707)，則初級(jí)繞組導(dǎo)線面積計(jì)算公式為

(7)

式中：S1為初級(jí)繞組導(dǎo)線面積(mm2)；I1為初級(jí)繞組電流(A)；J為電流密度4 A/mm2.

變壓器次級(jí)輸出最大電流為6 mA，由計(jì)算可得次級(jí)繞組導(dǎo)線面積公式為

(8)

式中：S2為次級(jí)繞組導(dǎo)線面積(mm2)；I2為次級(jí)繞組電流(A)；J為電流密度4 A/mm2.

經(jīng)計(jì)算得出導(dǎo)線線徑結(jié)果，留出裕量后，初級(jí)繞組選擇直徑為0.8 mm的漆包線，次級(jí)繞組選擇直徑為0.05 mm的絕緣線.

3.8 變壓器的繞組結(jié)構(gòu)

圖4 高頻變壓器實(shí)物圖

變壓器發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，電容兩端電壓高出工作電壓，增大對(duì)變壓器耐壓的要求.因而在變壓器繞制過(guò)程中，需要減少分布電容和漏感.假設(shè)各層電容相等，繞組共有m層，其中分布電容C次=N次C/m.式中C為次級(jí)繞組電容，N次為次級(jí)繞組匝數(shù).當(dāng)N次一定時(shí)，層數(shù)越多分布電容越小[8].為了減小分布電容，采取分段分組繞制法增加層數(shù)，減小每層匝數(shù)[9].分段分組繞制法還較好地解決了變壓器的絕緣問(wèn)題[10].高頻變壓器實(shí)物如圖4所示.

3.9 高頻變壓器的偏磁抑制

偏磁是變壓器鐵芯工作磁滯回線中心點(diǎn)偏離零點(diǎn)，正反向脈沖過(guò)程中磁通工作狀態(tài)不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象，即正、負(fù)半波的伏秒數(shù)不相等[11].變壓器磁通隨著周期的重復(fù)逐次增加，鐵芯出現(xiàn)飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流增加而燒壞開(kāi)關(guān)管，因此在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)必須消除直流偏磁現(xiàn)象[12].本文采用的方法是增加去磁回路和容性元件，對(duì)直流進(jìn)行隔離.選擇合適的電容和電感，抑制直流偏磁和減小開(kāi)關(guān)器件的損耗[13].圖5為抑制變壓器偏磁的逆變電路原理圖.

圖5 抑制變壓器偏磁的逆變電路

4 高頻變壓器測(cè)試分析

4.1 變壓器參數(shù)測(cè)試

高頻變壓器決定加速極電源性能的好壞，實(shí)際應(yīng)用中由于容量、損耗、電磁干擾等外界因素，使得變壓器的效率不穩(wěn)定，因此提高效率與電路的穩(wěn)定性是很重要的一項(xiàng)工作.本文分別在輸入為5，10，15 V的情況下進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 輸出電壓隨頻率變化的測(cè)試結(jié)果

由表2可知，當(dāng)變壓器頻率為20 kHz時(shí)，輸出電壓峰值最高.

4.2 輸出性能測(cè)試

為了讓測(cè)試更加貼近實(shí)際應(yīng)用，本文對(duì)高頻變壓器帶負(fù)載(R=2 MΩ)測(cè)試，測(cè)量電阻為2 kΩ.在10，15，20，25 kHz 4種頻率的測(cè)試情況下，電壓和電流的輸出特性如表3—6所示.

表3 頻率10 kHz時(shí)的測(cè)量結(jié)果

表4 頻率15 kHz時(shí)的測(cè)量結(jié)果

表5 頻率20 kHz時(shí)的測(cè)量結(jié)果

表6 頻率25 kHz時(shí)的測(cè)量結(jié)果

由負(fù)載條件下的電壓和電流的關(guān)系可知，變壓器實(shí)現(xiàn)輸出電壓0～12 kV連續(xù)可調(diào)，效率達(dá)到84%.本文分別采用10，15，20，25 kHz 4種頻率對(duì)變壓器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表7和8所示.

表7 頻率為10和15 kHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果

表8 頻率為20和25 kHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果

利用示波器測(cè)試不同頻率下的高頻變壓器的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率.當(dāng)頻率為20 kHz時(shí)，盡管低于25 kHz時(shí)的轉(zhuǎn)換效率，但是其輸入低壓時(shí)，輸出電壓峰值最高.最后得出的效率與假設(shè)計(jì)算時(shí)的效率相符合.綜合考慮，采用20 kHz作為變壓器工作頻率.

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以證明[14]

E1=4.44fN1BwS.

(9)

式中：f為變壓器頻率(Hz)；N1為繞組匝數(shù)；Bw為磁芯工作磁通密度(T)；S為鐵芯截面積(mm2).

當(dāng)額定電壓E1一定時(shí)，頻率f和磁通密度Bw成反比例關(guān)系.隨著頻率的升高，磁通密度減小，變壓器磁芯鐵耗和勵(lì)磁電流也減小.則有

(10)

式中：P1為變壓器輸入功率(W)；P2為變壓器輸出功率(W)；PFe為變壓器磁芯鐵耗(W)；PCu為變壓器繞組損耗(W).

變壓器在空載情況下測(cè)得的功率存在磁芯鐵耗和繞組損耗，繞組損耗對(duì)應(yīng)的電流很小，因此變壓器消耗的功率近似認(rèn)為是磁芯鐵耗.在高頻變壓器中，繞組損耗大小取決于負(fù)載電流.負(fù)載電流與初級(jí)電壓成正比例關(guān)系，但是增加的幅值非常小，可忽略不計(jì).根據(jù)(9)式和(10)式可知，當(dāng)頻率升高時(shí)，效率也隨之增大.

4.3 負(fù)載波形測(cè)試

高頻變壓器測(cè)試電路的負(fù)載使用大阻值、小功率的電阻.基于推挽電路設(shè)計(jì)方式，負(fù)載兩端接入的是上千伏高壓，考慮到示波器的耐壓值，測(cè)試波形需要取樣電阻和高壓探頭，避免損壞測(cè)試設(shè)備.最終得到的變壓器原、副邊電壓波形(如圖6所示).

圖6 變壓器原、副邊電壓波形

由圖10可知，脈沖調(diào)制芯片輸出兩路頻率為20 kHz的PWM波，它們占空比相同，相位相差180°，驅(qū)動(dòng)IGBT實(shí)現(xiàn)推挽的功能.變壓器副邊輸出正弦交流信號(hào)，波形平滑且無(wú)失真.

5 總結(jié)

本文根據(jù)中子發(fā)生器的工作要求，詳細(xì)介紹了加速極電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果.在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析頻率與功率、輸出電壓、效率之間的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高頻變壓器低壓輸入時(shí)，輸出電壓波形在頻率取10～25 kHz范圍內(nèi)有先增后減的趨勢(shì).當(dāng)頻率為20 kHz時(shí)，輸出電壓幅值最大.為了進(jìn)一步確定變壓器的工作頻率，將頻率為10，15，20，25 kHz時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)逐個(gè)比較，效率分別提升了11.96%，16.73%，6.05%.與此同時(shí)，隨著頻率的提升，僅需更少的輸入電壓就能實(shí)現(xiàn)12 kV高壓輸出.綜合考慮，最終確定高頻變壓器的工作頻率為20 kHz，效率達(dá)到84%，變壓器的設(shè)計(jì)滿足了課題的要求.