基于MARX發生器應用的15kV變壓器設計

富宇

摘 要：本文通過使用PSPICE仿真軟件對15KV高壓高頻變壓器進行電路仿真，在此基礎上，采用麥克萊曼法對該變壓器進行實際的分析計算，最后設計出變壓器實物，通過測試獲得較好的效果。

關鍵詞：高頻高壓變壓器；PSPICE仿真；麥克萊曼設計法

中圖分類號： TM241 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）13-139-2

0 引言

Marx發生器在現代工業生產中越來越多的使用，它主要是一種利用電容并聯充電再串聯放電的高壓裝置，一般地，為了提高Marx發生器的工作效率，要求對其充電的高壓直流電源裝置可以快速地充放電，且該電源裝置需要工作在較高的頻率上。而在逆變開關技術以及新的磁芯材料大量使用之前，大部分的充電電源都采用老舊的、工作頻率較低的變壓器完成主要工作，變壓器的工作頻率和普通交流電工作頻率一致，導致整個電源轉換效率低下，充電時間變長，很難滿足Marx發生器使用要求，導致工作效率降低[1]。由于新技術新材料的應用，讓生產使用高壓高頻變壓器的充電電源成為可能，在Marx發生器中，逆變升壓以及整流電路是整個Marx發生器充電電源的主要組成部分，而變壓器的設計的好壞及其性能是整個電源的重中之重，本文通過對影響高壓高頻變壓器性能的主要參數進行分析，建立等效電路模型，通過PISPICE軟件進行仿真，對參數進行優化設計，在選擇合適的磁芯并采用麥克萊曼方法計算參數后繞制出符合Marx發生器使用的15kV變壓器成品。

1 變壓器的模型與仿真電路

1.1 變壓器電路模型

在變壓器的使用中，實際上寄生參數是始終客觀存在的，變壓器工作在低頻狀態時，變壓器繞組之間形成的寄生參數變化不大，對電路工作的影響也比較小，因此在實際應用中往往忽略不計，但是隨著開關頻率的提高，分布參數對變壓器性能的影響將越發嚴重。

在高壓高頻變壓器中，影響其工作性能的主要參數有：勵磁電感、分布電容以及漏感等。其中分布電容和漏感的影響更為嚴重。

對于分布電容來說，分布電容主要寄生在變壓器初次級繞組之間，繞組中匝與匝之間，繞組與磁芯之間，影響電容值大小的因素主要是變壓器繞組的結構、介電常數以及絕緣程度等等。 變壓器繞制時可采用不同的繞組結構，這時產生的層間電容也不盡相同，一般情況下，在變壓器高壓輸出側采用多段繞制，多繞組串聯，在每個繞組層數一定的情況下，繞組個數越多，分布電容就越小。研究表明采用“錐型”繞制或“Z”型繞制方法能夠有效降低等效分布電容，提高變壓器的頻率特性，在單層匝數不多時這種效果更明顯，而且提高了變壓器的絕緣等級[3]。

漏感是因為變壓器一組線圈到另一組磁通量不完全耦合而產生的電感分量，也就是說，漏感的產生是因為初次級之間、匝與匝之間、層與層之間磁通沒有完全耦合形成的[4]，漏感與初次級繞組間耦合程度密切相關。變壓器的功率輸出和變壓器漏感中耦合的能量是有直接關系的，同時漏感的大小關系到高壓高頻變壓器的銅損和鐵損，也影響到變壓器的散熱問題。漏感還可以與變壓器線圈的分布電容和電路中的分布電容組成振蕩回路，造成電磁干擾。而且，漏感的存在會在開關轉換瞬間，對電路中使用的開關管，如IGBT等造成損壞。因此在設計中還需盡可能的減小漏感。

根據以上分析，在變壓器等效電路分析中，考慮漏感以及分布電容對變壓器的性能的影響，將次級的漏感、繞組電阻以及分布電容采用折算的方法，折合到初級側，可以得到圖1的等效電路。

圖中：L1是變壓器勵磁電感，Ls是變壓器漏感，C1和C′s是變壓器分布電容，r1和r′2是變壓器繞組電阻。

1.2 PSPICE仿真及結果

使用PSPICE軟件仿真，是因為其具有強大的電路模擬仿真功能，可以電路圖方式輸入，自動進行電路檢查，生成圖表，模擬和計算電路，可以用于電路分析和參數優化設計。

根據上述圖1的高壓高頻變壓器等效電路，采用PSPICE對電路進行相應地仿真。

由于設計的變壓器工作在高頻，幾十千赫茲，分布電容和漏感這兩個參數互相之間還存在影響，一般情況下，當分布電容減小時，漏感會增大，反之，漏感減小時，分布電容會增大，所以在仿真和實際設計中，這是一對矛盾體，不可能同時減小分布電容和漏感對變壓器帶來的影響，因此在變壓器仿真時，根據仿真模型，對分布電容和漏感取不同的值，根據仿真結果調整參數的設置，從而得到最優化的分布電容和漏感值。在此基礎上給出一種較好的仿真結果，如圖3所示。

2 變壓器設計

根據以上的分析及仿真結構，在設計中只能采用折中的方法解決分布電容和漏感兩個參數的取值，而采用磁計算的麥克萊曼的變壓器設計方法采取的就是這樣的一種方法。

該方法從變壓器采用的磁器件的功率處理能力著手，選擇不同的磁芯，計算繞組的匝數，線徑等參數，功率處理能力一般用面積Ap表示，其值在物理意義上等于所選型號的磁芯的窗口Wa面積和磁芯的橫截面積Ac的乘積[5]。

需設計的15kV高壓高頻變壓器主要外部參數為：初級輸入電壓155V；次級輸出電壓15kV；輸出功率為0.3kW，變壓器工作頻率為35kHz。

通過麥克萊曼法計算相應參數后，得到初級線圈為29匝，選取3股導線繞制，每股導線截面積為0.2753mm2；次級線圈為3741匝，二次繞組導線橫截面積為0.0165mm2，1股導線即可滿足。

在本次設計中采用的是UY-16型鐵氧體磁芯，為減少漏感對變壓器性能的影響，采用分段繞制的方法，而且由于Marx發生器充電使用直流電源，因此將高壓硅堆制成的整流橋連接在次級繞組的輸出端，最后采用環氧樹脂進行灌封并固化，制成變壓器成品。

3 結果及分析

設計完成后，將本次設計所得的高壓高頻變壓器與Marx發生器的其他電路連接起來，該Marx發生器可在0～25kV之間調整進行測量，測量時采用1：1000的高壓探頭，測量結果如圖4所示，直流輸出高壓15kV，經過整流后的直流充電電壓穩定，可以滿足Marx發生器的應用。

參 考 文 獻

[1] 江偉華，張弛.脈沖功率系統的原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2008.11：46-57.

[2] 王杰，等.PSPICE在軟件電路設計中的應用[J].電子科技.

[3] 齊瑋，等.通信電源技術，2008，25（3）.

[4] EPC高頻變壓器分布參數及其影響的分析.

[5] 2012麥克萊曼.變壓器與電感器設計手冊：第三版[M].北京：中國電力出版社，2008.