低漏感高压大功率充电变压器的研制

提要：高压大功率脉冲线型调制器广泛应用于雷达、激光、电子加速器等领域。为提高输出脉冲的脉间稳定度，de-Q电路是使用的一种较普遍的手段，充电变压器是其中重要的关键器件，降低其漏感是保证de-Q电路有效工作的技术关键，本文着重对此进行了阐述并给出了相应的测试及实验结果。
关键词：线型调制器 de-Q电路 充电变压器 漏感

1 任务来源
该项目充电变压器用于远红外激光装置量电子直线加速器系统高压大功率脉冲调制器中，调制器共四台，皆以速调（KLY）为负载，为电子直流加速器提供微波功率源。调制器采用典型的线型调制器线路，电原理如图如图1所示。

图1 线型调制器电原理图
调制器工作原理简单描述为：20KV直流高压电源Eo通过充电电感Lc、充电二极管D对脉冲形成网络PFN电容器充电，PFN上充电电压约为40KV。此时，触发脉冲使氢闸流管K导通，PFN通过脉冲变压器PT负载KLY放电，输出高压大功率脉冲信号。
原调制器主要指标为：
（1）电源 三相 380V/50Hz
（2）重复频率 3.125Hz， 6.25Hz，1.25Hz
（3）充电电压 40kV
（4）充电时间 ~2.5ms
（5）脉冲顶宽 ~7μs
（6）输出电压 120kV/200kV各2台
（7）PFN阻抗 20Ω/10Ω各2台
（8）PFN总电容 0.26μF/0.48μF各2台
在射频型自由电子激光装量中，为了获得能散度小的电子束，要求微波功率中的脉冲调制器输出脉冲电压有高的电压幅度稳定度。
提高输出电压幅度稳定度，也就是提高每次充电过程中的充电电压稳定度，相关技术及实用电路很多，根据多方面的考虑，总体思路和技术方案最终拟定为：降压式低漏感充电变压器替代原充电电感，用快速晶闸管作开关，采用阻容振荡型"de-Q"电路。电路框图如下图2所示。

图2 加装de-Q电路后的线型调制器
de-Q电路工作原理是：在de-Q电路中用充电变压器代替充电电感，当PFN充电电压达到预定值时，de-Q开关导通，充电变压器初级线圈中贮存的磁场能量将在吸收网络阻路上被逐渐消耗掉，使充电停止，从而达到控制PFN充电电压、提高输出脉冲脉间稳定度的目的。
2充电变压器的技术要求
由于使用de-Q电路是一种简单可靠的稳定脉冲幅度的方法，它被广泛应用于各种线型调制器中。本项目规定了优于1‰的脉间幅度稳定度，无论从理论上还是从工程实践上都表明，这项性能指标的要求是苛刻的，对充电变压器的技术性能提出了较高的要求，其主要技术指标如下：
（1） 初级（1~2）电感量：2.5H，
（2） 初级平均电流：0.35A 峰值电流：9A 有效电流：1.3A
（3） 次级平均电流：1A 峰值电流：93.7A 有效电流：1.3A
（4） 初次级匝比n=N1/N2=15，次级两辅助绕组仅为一匝，作取样和测量用
（5） 初级漏感相对值≤1‰，次级采用静电屏蔽，
（6） 试验电压：初级1、2两端对次级三个线圈、铁心、地（外壳）之间施加直流电压50kV一分钟，不击穿、不飞弧。
对于该充电变压器必须尽量减小其漏感，因为漏感中所贮存能量在de-Q开关导通后还会继续向PFN充电，降低了调整精度，严重时会使de-Q失效。在对de-Q电路进行总体设计时，对充电变压器的漏感提出了很高的要求，即要求相对值优于1%。

3设计计算
该变压器的技术关键是尽量减小其漏感，同时还必须考虑下列两个方面的问题：1）充电变压器线性好，在最大工作点不能饱和；2）高压绝缘问题。
对心式铁心，漏感计算公式如下：
（1）
式中，为漏感校正系数，按下式计算=1-H+0.35H2，H=线圈厚度/（M·πhm）
初次级平均绕线宽度（cm）；每柱上组间绝缘厚度（cm）；每柱上初级绕组总厚（cm）；每柱上次级组总厚（cm）；初级总匝数；M漏磁势组数；1m平均匝数（cm）。
根据上式进行理论分析可知减小漏感的方法有：
（1） 由于漏感与线圈匝数的平方成正比，因此在变压器体积允许的前提下，增大铁心截面积Sc，尽量减小线圈匝，这是减小漏感的最有效的方法；
（2） 减小绕组间绝缘厚度。由于减小绝缘厚度即减小漏磁面积，故可减小漏感；
（3） 增加绕组高度。由于漏感与绕组宽度成反比，增大可减小L，这相当于增大铁心窗高，绕组高度增大后厚度可减薄，这可进一步减小漏感；
（4） 改变绕组排列，增加漏磁势组数M。由于漏感漏磁势组数M2成正比，可采用交叉绕法来增大M值以减小漏感。
对于该充电变压器，最终选择的技术方案为：
（1） 变压器为CD型铁心、壳式结构。
（2） 绕组配置为：初级并联、次级四段串联，初级夹在次级之间，漏磁势组数M=2，如图3所示。

图3 变压器联接方式示意图
（3） 初次级之间、线圈与铁心之间采用纸-膜复合绝缘，整件为油浸密封密结构，引线从盖板上高压绝缘子引出。所有绝缘厚度和爬电距离均应仔细考虑，既保证能够承受最高试验电压50kV的要求，又保证能够最大限度地减小漏感。
对于带铁心的充电变压器，若铁心中的磁感应度增量为△B，最大充电电流△I，为得到电感量L所需的线圈匝数为
（2）
假设在铁心中的磁感应强度Hi和在气隙内的磁感应强度Hg都是均匀的，根据全电流定，可以写出：
（3）
假设在铁心中、气隙内的磁场强度分别为Bi和，考虑到在气隙内
（4）
（3）式可改写为：
（5）
铁芯材料为冷轧硅钢带DQ151-35（一级品），工作点为：=10安匝/厘米，=△B=1.5T。气隙长度取值一般为铁心磁路长度的1%，即：
（6） 那么，铁芯体积为：Vc=lISc=10000
铁芯重量为：Gc=76.5kg
为制作方便及改善热，铁心为两付CD铁心合并而成，中间油道为5mm，合并后的铁心截面积近似为正方形，这样可减小平均匝长，进一步减小漏感。
根据绕组情况，经反复验算，得出：
铁芯截面积为：Sc=100
磁路长度：11=100cm
气隙长度：=10mm=5mm×2
初级匝数为：=1440匝
为验算初级线圈匝数，可采用下列常用的办法：把铁心看成磁短路器，而算出在一个长度为、截面积为的空气隙上，为得到电感量L所需要的匝数，即：
（7）
考虑空气隙的边缘效应后，空气隙的有效截面积为
（8）
上式中a和b 分别为铁心截面的长和宽。
按照此方法计算，初级匝数=1440匝。
对该充电变压器的初级漏感量相对值进行演算，理论值=0.7%，符合设计任务书的要求。根据初级匝数和变化n，可确定次级线圈匝数。
电流密度j取值为2~3A/，根据初级和次级有效电流可确定初、次级导线线经，导线牌号为QZ-2圆漆包线。

4 检验及试验
经反复计算和试验，研制的四台充电变压器全部达到了元件任务书中规定的技术指标要求。实际测试结果如下所示：


经精心设计和反复调试，de-Q技术性能指标达到了规定的要求，即：在原调制器中加装高性能de-Q电路后输出脉冲电压脉间幅度稳定度优于1‰。有关波形图如图4、图5所示。

图4 de-Q电路末动作时充电变压器取样绕组波形图

图5 de-Q电路动作时充电变压器取样绕组波形图
致谢 在该变压器的研制过程中得到了中国科学院北京原子能研究院曹德彰、潘龄鹤两研究员高级工程师的帮助和指导，在此深表谢意。
参考文献
[1] 东冲《线型脉冲调制器理论基础与专用电路》，国防工业出版社，1979
[2] 电子变压器专业委员会编《电子变压器手册》，辽宁科学技术出版社，1998