小型高压充电实验装置中高压变压器设计✴

王云艳,王永强,刘长林,王文杰

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081)

0 引 言

爆炸箔起爆器(Exploding foil initiator,EFI),亦称冲击片雷管,其原理是利用金属箔电爆炸驱动聚酯薄膜加速飞行冲击起爆炸药,广泛应用于各类武器系统的起爆序列中.冲击片雷管的起爆需要一个小型高压脉冲功率装置为其提供高电压、大电流的起爆能量.本课题研究的目的就是为一种新型冲击片雷管的试验提供小型高压脉冲功率实验装置,为其提供能量配套,用以研究冲击片雷管的电爆炸参数,为其优化设计提供数据支持[1-3].

其中,小型高压变压器作为脉冲功率实验装置的核心器件,因其专用性无法在市场上采购到合适的器件,而且该变压器正确的设计与制作决定了该实验装置能否正常运行,因此本文着重研究了小型高压脉冲功率实验装置中高压高频磁性变压器的设计方法.

1 小型高压脉冲功率实验装置的工作原理

新型冲击片雷管起爆电压要求在2 kV以上,因此需要利用高压脉冲功率装置将直流电池组的电压从30 V逆变到2 kV以上.对于这种小功率高压脉冲逆变器可以采用单端反激式拓扑结构,利用脉冲发生器驱动MOSFET开关管进行逆变,将30 V的直流电压转换为几百千赫的交流电压,由高频变压器升压至2 kV以上,经过高压硅堆整流后给高压电容充电,冲到预定值后,将电压信号反馈给脉冲发生器,停止充电.等待起爆信号到来后,将高压电容内聚集的高压能量瞬间释放,从而起爆冲击片雷管[4,5].因此高压脉冲功率装置由高频开关管(功率MOSFET)、高频高压脉冲变压器,脉冲发生器以及高压反馈电路构成,其结构原理图如图1所示.

图1 高压脉冲功率变换电路及起爆电路原理图Fig.1 High voltage pulse power convertor circuit diagram and initiated circuit diagram

2 小型高压变压器设计[6-10]

对于变压器设计,需要确定原边电感量,变压器原副边匝比,原副边绕组线径等重要设计参数,同时要注意变压器要留有一定的气隙,提高转换效率.

变压器的具体设计流程如下:

Step1:首先确定工作频率.对于小功率变压器来说,频率越高变压器体积越小,但是开关管和变压器损耗越大,目前市场上主流的铁氧体磁芯工作频率在300 kHz左右.因此综合考虑工作频率fs定为100 kHz,占空比D为0.5,铁氧体磁芯材料可以选用PC40,该材料工作频率通常可以达到300 kHz,是市场上流行的磁芯材料.

Step2:有了工作频率fs以及占空比D,根据直流电池组所能提供的电流以及电压条件可以确定变压器原边电感量Lp.

对于脉冲功率电路来说,原边电感量

由已知条件:电池组电压Uin=30 V,最高供电电流Ipk=2 A,留一定余量取Ip=1.5 A.由式(1)可以计算得到原边电感量Lp=100 μ H.

Step3:根据功率MOSFET(即高频开关管)选择匝比N.

对于功率MOSFET按照耐压,内阻小,以及较少的内部寄生电容CGS与CGD来考虑匝比.通常,功率MOSFET漏极电压耐压低的型号,其内部参数会比较好,这就需要匝比大一些,这样漏源极上的反激映射电压会比较小,但是匝比也不要过大,大的匝比会增加漏感,影响变压器工作效率.因此匝比经综合考虑后定为N=Np/Ns=1/20.

Step4:根据PC40的材料特性确定工作磁感应强度Bm.

由图2可以看出,该材料在100℃饱和磁感应强度是Bsat=0.39 T,且在65%的饱和值仍有一个良好的线性度,因此取工作磁感应密度Bm=0.39×65%=0.253 T,PC40的初始磁导率 μi=2 300.

图2 PC40铁氧体材料静态磁化曲线Fig.2 Magnetic curve of PC40

Step5:根据电路的传输功率,利用Ap法进行磁芯的初选.

已知弹上电源Uin=30 V,电路设计最大电流Ipk=1.5 A,假设传输效率η=0.9,单端反激式为了防止磁芯饱和,设计为电流断续模式,也就是说,每个周期电流总是下降到0,因此,变压器原边电流的平均值Ipave=Ipk/2=0.675 A.原边电流有效值

占空比D=0.5,因此,Iprms=0.477 A.

利用式(3),并根据计算结果进行磁芯选择.

式中:J为电流密度,通常取4 A/m2;Ko为窗口使用系数,通常取0.4;Kf为波形系数,方波脉冲取4.

可以由式(3)计算出磁芯面积乘积AP=168 mm4,由于高压变压器具有绝缘距离大、窗口填充系数小的特点,磁芯材料相对要大一些,查表可得型号为EPC19,该磁芯参数:

有效窗口面积Aw为 54.4 mm2;有效截面积Ae为 22.8 mm2;体积Volume为 1 050 mm2;磁路长度le为46.1 mm.

Step6:原边绕组匝数Np和副边绕组匝数Ns.

将已知参数带入得Np≈12匝.变压器原副边匝比N为1/20,因此副边匝数Ns=Np/N=240匝.

Step7:计算气隙长度.

气隙计算公式

将已知的原边匝数Np,磁芯有效面积Ae,原边电感量Lp代入式(5),计算得出lg=0.075 mm.

Step8:确定变压器原边与副边绕组线径.

初级线径:峰值电流IPK=1.5 A,查表可以选择裸线径Dline1=0.64 mm.

副边线径:变压器原副边电流关系式

计算出副边电流很小,峰值电流也就67.5 mA,所以导线可以选取的比较细,可以采用裸线径Dline2=0.16 mm.

图3 EPC19变压器实物图Fig.3 The transformer of EPC19

Step9:验算磁芯体积是否满足要求.

根据线径查表可得,Aline1=0.4 mm2,Aline2=0.03 mm2,将Step4计算得到的代入Np,Ns代入式(7)中

计算得出:p≈0.56,该值小于1,说明所选磁芯能够满足设计参数.

至此,变压器的所需参数已经计算完成,根据这些设计参数进行了变压器制作,如图3所示.

3 结束语

利用图 1所示的原理电路对小型高压变压器进行了实验验证.开关频率为100 kHz,占空比为 0.5,采用高压探针对高压电容电压进行探测,探测比例1 000∶1,示波器纵坐标表示电容电压(1 V/格),横坐标表示时间(20 ms/格).示波器结果如图4所示.

实验结果表明,充电电压为 2 500 V,电路工作正常.说明该小型高压变压器设计成功,达到了使用要求.

图4 高压脉冲功率电路实验波形Fig.4 Test waveform of high voltage pulse power circuit

[1]褚恩义,任西,钱勇,等.爆炸箔冲击片起爆设计参数研究[J].火工品,2008,3:26-27.

Chu Enyi,Ren Xi,Qian Yong,et al.Study on the design parameters of exploding foilinitiation[J].Initiators&Pyrotechnics,2008,3:26-27.(in Chinese)

[2]王桂吉,邓向阳,谭福利,等.爆炸箔起爆器小尺寸飞片速度测试[J].爆炸与冲击,2008,28(1):28-31.

Wang Guiji,Deng Xiangyang,Tan Fuli,et al.Velocity measurement of the small size flyer of an exploding foil initiator[J].Explosion and Shock Waves,2008,28(1):28-31.(in Chinese)

[3]曾庆轩,袁士伟,罗承沐,等.新型电爆炸箔系统电压对爆发电流影响的实验研究[J].火工品,2002,1:41-42.

Zeng Qingxuan,Yuan Shiwei,Luo Chengmu,et al.Study to the effect of the voltage of a new type of exploding foilinitiator system to firing current[J].Initiators&Pyrotechnics,2002,1:41-42.(in Chinese)

[4]司怀吉,崔占忠,冀建平.引信微型高频高压点火电源的研究[J].制导与引信,2005,29(3):34-37.

Si Huaiji,CuiZhanzhong,Ji Jianping,Studies on small high frequency andvoltage ignition power for fuze[J].Guidance and Fuze,2005,29(3):34-37.(in Chinese)

[5]李东杰.全电子点火系统——动态开关、高压变换器和起爆回路技术研究[D].绵阳:中国工程物理研究院,1998.

[6]张战松,蔡宜三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2005.

[7]Abraham I.Pressman.开关电源设计[M].王志强译.北京:电子工业出版社,2006.

[8]杨旭,裴云庆,王兆安.开关电源技术[M].北京:机械工业出版社,2004.

[9]Ferrite For Switching Power Supplies[Z].TDK DATA.2005.

[10]赵修科.开关电源中磁性元器件[EB/OL].[2011-08-26].www.etuni.com.