基于绝缘芯平面变压器的新型高压直流电源的调试及输出特性

田佳甲 刘永好 张金玲 李瑞 卢宋林 李德明



基于绝缘芯平面变压器的新型高压直流电源的调试及输出特性

田佳甲1,2刘永好1张金玲1李瑞1卢宋林1李德明1

1（中国科学院上海应用物理研究所嘉定园区 上海 201800）;2（中国科学院大学 北京 100049）

介绍了一种以绝缘芯平面变压器为核心部件的新型高压直流电源的原理和基本结构，并给出了自行设计的实验样机的参数。对样机进行了调试，并测量了不同负载下电源的输出特性，发现在负载较重时电源会出现明显的压降。建立合理的等效电路和参数模型，对导致压降的原因进行了理论分析，进而提出了相应的解决方法，并进行了实验验证。结果证明，在负载较重时，绝缘芯平面变压器中的压降主要由漏磁引起，此问题通过调整功率因数解决。

绝缘芯平面变压器，输出特性，漏磁，功率因数

20世纪50年代开始，绝缘磁芯变压器(Isolated Core Transformer, ICT)作为高压发生器被用于辐照加速器中[1]。ICT型加速器的束流功率大、结构简单、能量转换效率高、价格和维护成本较低，被广泛应用于辐照工业及污水废气处理[2]。但由于工作频率低，ICT电源体积大、储能高，限制了它的应用。绝缘芯平面变压器(Planar Isolated Core Transformer, PICT)兼具ICT和平面变压器的特点，是将ICT高频化的一个理想方案[3−4]。

PICT型高压直流电源本质是一种大功率开关电源变压器，核心功率转换部分由逆变电路和PICT构成。PICT的磁芯采用铁氧体材料，次级绕组和整流电路布置在印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)上，多层PCB串联后可获得数百千伏的直流电压。

PICT型电源于20世纪90年代开始在国外发展，相比低频电源，同等性能指标下PICT型电源体积小、功率密度高、储能低、可靠性高和组装性能好[5−6]，有望成为1MV以下大功率直流高压电源的主流发展方向。

1 PICT型电源的工作原理及主要参数

研究小组设计建造了一台PICT型电源的实验样机，它的工作模块如图1所示。

图1 PICT型电源的工作模块

电网供给的三相交流电压0(380V, 50Hz)经调压器得到峰值为p的交流电压，由整流滤波电路变换成直流，经H桥逆变后获得频率为33kHz的脉冲方波输入到PICT中。图2是PICT的主要结构示意图。

图2 PICT的主要结构 1：铁氧体磁芯，2：PCB板，3：初级线圈，4：电晕环，5：支撑结构

图2中PICT初级绕组匝数1=5，次级由27层PCB板构成，每层PCB板包含32个单元，每单元包含匝数2=2的次级线圈及整流倍加模块，次级线圈总匝数为2。PCB板依次串联获得直流高压，相邻PCB板间电位不同，通过绝缘膜隔离（图2中未画出）。PICT工作在SF6或N2中，直径约为550mm，高度为500mm。其理论输出为：

2 PICT电源的调试

图3是加工完成并嵌入磁芯薄片的PCB单元以及组装完成即将在钢筒中调试的PICT。PCB单元采用贴片元件，在次级线包中间留出空间放置磁芯薄片，再用粘合剂固定。多层PCB板通过图3(a)中左下和右上的焊点连接，从顶端高压帽引出电压。

PCB单元有很强的带载能力，单层PCB板初级输入500V的方波时，输出电压约为12kV，接120kΩ负载，负载电流为100mA。维持20min后磁芯、线路和元件没有明显的升温，说明PCB单元可以输出较高的电流和功率，且损耗较小。

PICT的设计指标：初级线圈匝数p=5；次级线圈匝数s=1 728；工作频率=33kHz；输入电压范围20−380V；方波占空比0.45；铁氧体磁导率r=2400；初级电感量p=70mH；最大输出电压out=300kV；最大输出电流=100mA；PCB板间耐压25kV。

课题组进行了空载和带载的初步调试实验。样机中的开关电源的额定功率为1.8kW，实验结果如表1所示。

表1 PICT调试结果

在带载实验中，局限于开关电源的功率，在输出电压达到100kV后没有进一步提升。从表1可以看到，PICT在空载和带载运行时都能维持较高的变比，但明显低于设计参数，并且负载变重时PICT的压降也会增大。因此，样机在调试中面临的主要问题是压降问题。

文献[7−8]是电源搭建初期对PICT的研究，对包含5层PCB板的PICT的空载特性（负载电流约为50μA）进行了讨论。实验显示在PCB板层数较多以及带载运行时PICT会表现出不同的特性。

3 压降原因分析

PICT的压降主要有两个原因：

第一，内阻和绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的分压。这是因为PICT初级电感量小，导致初级电流很大，尤其是励磁电流可以达到数十安培。

第二，绝缘膜导致的漏磁。绝缘膜的磁导率接近1，在主磁路中相当于气隙，会引起旁路磁通[9]，如图4所示。

图4 旁路磁通示意图

由图4可知，旁路磁通使距离初级线圈较远的次级线圈的磁耦合率降低，引起顶层PCB板的压降，例如次级线圈A的输出电压会低于次级线圈B。漏磁在电路中等效为漏感，将27层PCB板从下到上编号为=1, 2, …, 27，对第层PCB板，漏感kn的大小随高度增大，即k1最小，k27最大。

漏感中会储存一部分无功功率，引起输出电压和效率的降低。但漏感在负载较重时才会引起比较明显的压降，这是PICT中的漏感和分布电容的互相作用导致的。

PICT的分布电容包括次级绕组匝间电容、上下层PCB板间电容和初次级绕组之间的电容，大小通常为pF量级，因此可以用含三个电容的高频变压器二端口网络电路[10]来模拟PICT。因此在计入漏感、内阻和分布电容时，PICT基本单元的电路如图5所示。图5中p和s为初级线圈和次级线圈的电感，p和s为原边和副边的内阻，L为负载电阻，kp和ks为原边和副边的漏感，p和s为初级和次级的分布电容，ps为初次级之间的分布电容。

为便于分析，将图5中的电路做以下简化：一，将非线性的倍加整流电路部分简化为一个等效的负载电阻；二，忽略原副边的内阻；三，忽略初次级绕组间和PCB板间的电容。将初级参数映射到次级，得到图6中的Γ型电路。

图6 简化后的Γ型等效电路

从图6可以看出，电容所起的作用取决于与其并联的等效电阻'L的阻抗高低，'L越大，电容支路与漏感k的谐振越明显。'L与L正相关，因此对于图5所示电路，负载L较重时，分布电容作用很小，漏感会引起输出电压的降低；空载时，分布电容与漏感之间的谐振会使输出电压升高，但因为值很小，所以不会很明显。

为对上述推论进行验证，研究小组对不同负载下PICT的输出特性进行了实验研究。

4 PICT的输出特性

实验方法是在PICT中将第1–27层PCB板接同样大小的负载L，测量各层PCB板的电压输出Ln并以PCB编号为横坐标绘制电压曲线。然后改变负载的大小，比较不同曲线的趋势。

精确测量分布电容是很困难的，但可以估算一个范围。若每个次级绕组单元的分布电容0.1pF<<10pF，那么分布电容支路的阻抗C在15kΩ−1.5MΩ。因此设计5组实验，对应的次级单元负载L如表2所示。

表2 实验所采用的负载电阻RL­数值

在负载相同时输出电压的大小不会影响压降的大小，因此为测量方便，单块PCB板的输出电压为1kV左右。在负载电阻较大时，为消除测量工具内阻的影响，在负载两端并联分压比为10000:1的1GΩ高压精密电阻分压器，对分压器上的电压进行测量。

如图7所示，L=3.75kΩ时，位置越高的PCB板的输出电压越小，顶层PCB板相对底层的压降为15.4%；L=18.75kΩ时，压降为13.2%；L=112.5kΩ时，压降为7.3%，此时漏感与分布电容已经产生明显的谐振；接近空载时，L=937.5kΩ时，顶层PCB板的电压略高于底层。实验结果与理论分析吻合。

5 输出特性的改善

要增大电源的输出、改善输出特性就要消除漏感（漏磁）的不利影响。选用更薄的绝缘膜可以减小PICT的漏感，但电气绝缘的要求限制了绝缘膜的最小厚度。

实验表明分布电容与漏感的谐振作用可以对电压产生一定的补偿，因此带载运行时可以考虑引入电容来补偿电压[7−8,11]，相当于调整PICT的功率因数。对图6中的电路做一个相量图的分析，如图8所示。

不同位置的PCB板漏感不同，在实际运行中通常将各层PCB板补偿到输出电压一致。文献[7−8]提出了一种计算补偿电容大小的方法，但实验中发现这种方法得到的数值存在较大偏差。通过Multisim模拟可以得到精确的补偿电容的数值。

以第27层PCB板为例，Multisim显示需要并联33nF的补偿电容。实验小组用2.2nF、33nF和47nF的电容进行了对比实验，实验中PCB板所接的负载电阻均为120kΩ，即每单元负载L=3.75kΩ。实验结果如表3所示。

表3 补偿电容实验结果

如表3所示，在补偿电容为33nF时，顶层的PCB板与底层的输出电压近似相等；如果将电容值增大到47nF，输出电压可以进一步升高。

因此，负载较重时在分布电容的位置并联一个补偿电容是可行的改善输出特性的方法。

6 结语

PICT型直流高压电源是一种具有广阔前景的新型电源。为保证PICT有稳定的输出特性和高的运行效率，在保证变压器的电压等级、变比、绝缘等各项指标达到要求的基础上，还要考虑到分布参数对输出特性的作用。实验表明PICT型电源带载能力较强，并且在负载较重时，可以通过无功补偿的方法消除漏感的影响，提高电源的功率因数、输出电压和效率。

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10 宋晓婷. 高频高压变压器分布参数测量和绕组结构设计[D]. 大连理工大学, 2013SONG Xiaoting. Measurement of stray parameters in high-frequency high-voltage transformer and winding structure design[D]. Dalian University of Technology, 2013

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年于中国科学技术大学获硕士学位，现为博士研究生

李德明，E-mail: lideming@sinap.ac.cn

2015-04-07，

2015-04-26