螺旋带型空心脉冲变压器结构参数设计.pdf

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1、螺旋带型空心脉冲变压器结构参数设计梁川，谢敏，曹科峰，章林文，吴红光（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900）摘要：设计了耦合系数0.6、次级输出电压1MV的螺旋带型空心脉冲变压器，从理论上分析得出了该脉冲变压器的结构参数，指出该脉冲变压器优势和研制难点。关键词：空心脉冲变压器；螺旋带型变压器；电路分析；脉冲功率要获得MV级高压快脉冲，可以采用Marx发生器或高压脉冲变压器作为初级能源。Marx发生器充电效率高、储能高，但体积较大，很难实现高重复频率；高压脉冲变压器体积小、重量轻、重复频率高,而且所用开关数目少,控制、触发、同步比较容易。所

2、以高压脉冲变压器型脉冲电源多用于高电压、重复频率等情况下。为了使系统紧凑，人们一般采用螺旋带[1,2]型空心脉冲变压器代替Marx发生器来获取高压快脉冲。本文设计了一种高功率、小体积的螺旋带型空心脉冲变压器，耦合系数0.6、次级输出电压1MV。用此变压器升压给水介质Blumlein线充电，产生高电压脉冲作用在脉冲X射线二极管上获得闪光X射线。1螺旋带型空心脉冲变压器概述螺旋带型空心脉冲变压器结构如图1所示，由于高电压绝缘的要求，一般把低压绕组放在高压绕组的外面，以便高压输出能通过装置的中心引出。这种变压器的匝间电容全部相互串联，所以对图1螺旋带型空心脉冲变

3、压器结构示意图快电压瞬变它具有较小的[3]击穿可能性。螺旋带的大面积和其间的小距离使电容相当大，快脉冲被均匀的分压。螺旋带型脉冲变压器的主要问题是带的边缘击穿，击穿发生在最后的高压匝的边缘处，穿过绝缘层端部产生电晕放电路径接通到初级。边缘击穿是由沿边缘的强电场引起的。解决这个问题[2,3]的方法是在端部罩上一个同心环屏蔽。2变压器参数设计理论分析螺旋带型空心脉冲变压器设计耦合系数0.6，次级输出高电压1MV，双谐振工作模式。变压器设计与多种因素相关，如初级能源、负载、变比、充电时间等。设计变压器用于给水介质Blumlein线充电，故变压器负载为容性负载。变

4、压器工作等效电路如图2所示。2谐振工作模式下，即谐振频率ω＝ω2＝1/LC=ω2=1/LC，用电路分图2谐振变压器工作等效电路图111222析很容易求解出电流、电压与时间的关系。V0⎛1ωt1ωt⎞i1()t=⎜⎜sin+sin⎟⎟（1）2ωL1⎝1−k1−k1+k1+k⎠−V0⎛1ωt1ωt⎞i2()t=⎜⎜sin−sin⎟⎟（2）2ωL1L2⎝1−k1−k1+k1+k⎠V0⎛ωtωt⎞V1()t=⎜⎜cos+cos⎟⎟（3）2⎝1−k1+k⎠−V0L2⎛ωtωt⎞V2()t=⎜⎜cos−cos⎟⎟（4）2L1⎝1−k1+k⎠式中：V0—―初级能源电容器

5、电压；L1，L2—―分别为变压器初、次级电感；C1，C2—―分别为变压器初、次级电容；k—―变压器耦合系数，k=ML1L2，M为变压器的互感；采用数字模拟得出初、次级电压电流与时间的关系曲线如图3所示。由图3(b)次级电压曲线可以看出脉冲变压器向负载充电有两种方式：一种是第一振幅充电，即在次级最大电压达到振荡的第一峰值时闭合输出开关；第二种是双谐振充电，即在次级最大电压达到振荡的第二（或反向）峰值时闭合输出开关。采用双谐振充电时，初级电压为零，初、次级电流均为零，能量全部转换到变压器次级上。理论上此时变压器的能量转换效率为100%。而采用第一振幅充电能量转

6、换效率明显低于双谐振充电模式。因而螺旋带型变压器设计为双谐振工作模式。设计Blumlein线电容为10nF，外筒直径为600mm；k＝0.6；ω1＝ω2；变比10:1；充电时间约为5µs。由式（4）可得：V2()tL2[]()(=0.5cos0.79ωt−cos1.58ωt)（5）V0L1式中当t=t0=π/(0.79ω)时，V2(t)达到最大峰值；取变比为1.0(1)15:1进行计算，则有：0.5L2=225L1(6)0.0ω=π/(0.79t0)(7)-0.52ω=1/(L2C2)=1/(L1C1)(8)(2)-1.0由式（6）－（8），充电01234

7、5678910时间t0为5µs，可以计算出变压（a）初级电压（1）和次级电流（2）与时间的器各参数：关系次级电感L2：158µH初级电感L1：0.7µH1.0(2)初级电容C1：2.25µF0.5变压器采用铜带作为绕0.0线；层间绝缘采用聚酯薄膜，薄-0.5(1)膜伸出绕组两边增大匝间沿面-1.0距离。012345678910变压器初级为单匝绕线。（b）次级电压（1）和初级电流（2）与时间的关系单匝直径为D（m）、宽度为b(m)图3数字模拟变压器电压电流与时间的关系的铜带（厚度与宽度比可以忽略横轴为时间，纵轴为电压和电流[4]ω＝ω，k=0.6不计）的电感

8、采用下式计算。12⎛4D⎞−7L=2πD⎜ln−0.5⎟×10(H