高电压闭合磁环小型脉冲变压器

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1、第２２卷第１２期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１２２０１０年１２月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＤｅｃ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）１２３０４７０５高电压闭合磁环小型脉冲变压器张瑜，刘金亮，程新兵，张洪波，白国强（国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙４１００７３）摘要：研制了一种结构紧凑、电压升压倍数高达１０９倍的２００ｋＶ级脉冲变压器，以实现高压脉冲变压器的小型紧凑化。用电磁理论分析、电路模拟及实验测试３种方法对变压器的耦合、耐压和输出特性进行了研究，对重要参数进行了计算和设计。采用晶

2、粒取向硅钢薄带作为变压器磁芯，且磁芯闭合，变压器的有效耦合系数高达０．９５以上。高分子材料的绝缘套筒结构和分层交替的绕线方式，使得变压器在初级低压充电２．１ｋＶ时，次级可输出幅度为２３０ｋＶ、半高全宽为３μｓ的高电压脉冲。模拟和实验结果验证了理论设计的合理性。关键词：脉冲变压器；升压倍数；耐压；硅钢薄带；有效耦合系数；半高全宽中图分类号：ＴＭ４１７文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２１２．３０４７［１７］以脉冲变压器为重要组成部分的高压脉冲发生器，在军事和工业领域有广泛而重要的应用价值。产生［８１６］［１７］高压脉冲主要有脉

3、冲变压器技术、多极串联的Ｍａｒｘ发生器技术和利用脉冲形成线升压的层叠线倍压［１８］器技术等，后两种技术多用于产生几百ｋＶ以上的高电压脉冲，但结构庞大复杂，不利于脉冲发生器系统的［８１０］小型化，且系统成本较高，应用范围受到限制。目前，研究得较多的是具有开路磁芯的Ｔｅｓｌａ变压器、带绕［１１１５］［１６］式空心变压器和部分磁芯式脉冲变压器。开路磁芯的Ｔｅｓｌａ变压器输出电压高，耦合系数高，但磁芯结构复杂，造价高。带绕式空芯变压器和部分磁芯式变压器结构简单，造价比较低，但耦合系数不高。这两种脉冲变压器以增大体积或填充绝缘膜来实现高压绝缘，一旦击穿，绝大

4、部分绝缘材料必须重新更换，浪费严重，制作工序也比较复杂。相较而言，闭合磁环式小型脉冲变压器体积小巧，绕组的制作很简单，且闭合磁芯能够［１９］实现高耦合，但其缺陷在于磁芯易饱和，耐压有限，很难做到几百ｋＶ量级高压输出。基于对各类变压技术的分析比较，输出电压在３００ｋＶ以下时，可以寻求能够兼顾各种升压技术优势的变压器研制方案，采用普通脉冲变压器的结构形式，用晶粒取向硅钢薄带材料制作环型闭合磁芯，采用耐高压的导线，并结合特殊的绕制方法来制作绕组，为了更好的绝缘，磁芯外加绝缘套筒。充电实验研究表明，这种变压器具有高耦合、高电压变比、耐压性能良好等特点，没有出现

5、磁芯饱和现象。同时，其结构简单，制作非常方便，不需要抽真空灌油，体积小巧，造价低，已在小型紧凑化高压脉冲发生器中获得应用。１结构设计采用晶粒取向硅钢薄带材料作为磁芯材料，将薄片卷绕后用树脂固化成型，导磁方向为圆周方向。由于磁芯具有导电性，故特意用高分子材料套筒套在磁芯外部进行绝缘，避免初次级绕组以及次级绕组高压与低压端发生击穿短路现象。次级绕组绕线采用能耐高压的导线，共绕１１０匝，初级绕组为１匝。为获得较好的绝缘效果，初次级绕组之间无重叠，初级为单层绕组，次级为内外两层绕组，并保持必要的距离，成型后的变压器浸于变压器油中。变压器纵截面几何结构如图１Ｆｉ

6、ｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ所示，磁芯长为犾，外直径为犇，内直径为犇；套筒长度犾为ｍ４３０图１脉冲变压器纵截面结构示意图１００．８ｍｍ，外直径犇２为１７０ｍｍ，内直径犇１为６８．８ｍｍ，外壁厚犱，内壁厚犱，底壁厚犱，套筒前端面与磁芯前端面间距犱，套筒后端面与磁芯后端面间距犱。１２５４３收稿日期：２００９１０１８；修订日期：２０１００３１６基金项目：国家高技术发展计划项目；国家自然科学基金项目（１０６７５１６８）作者简介：张瑜（１９８４—），男，博士研究生，从事脉冲功率技术及应

7、用研究；ｚｙｕ８４１２２７＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ。３０４８强激光与粒子束第２２卷２电参数理论计算设磁芯饱和磁感应强度为犅ｓ＝１．５６Ｔ，剩余磁感应强度为犅０＝０，常温下磁芯相对磁导率为μｒ＝２５００，磁芯材料填充率为犓，则磁芯截面积Ｔ＝０．８犛＝（犇４－犇３）犾犿／２（１）计算可得犛为１７．５ｃｍ２。磁芯内外环周长分别为犾，犾，犾，犾，变压器初级绕组匝数犖为１，次１２１＝π犇３２＝π犇４１级绕组匝数犖为１１０。真空中的磁导率为。参照文献［２０］的方法，对初级绕组采用安培环路定理，可计算２μ０出穿过初级线圈内磁芯截面的磁通量Φ０＝犐ｐμ０μｒ犖１犛犓

8、Ｔｌｎ（犾２／犾１）／（犾２－犾１）（２）式中：犐为初级线圈电流。设为通过初级线圈的磁链，由于