10kV高压脉冲变压器的制作
2006-10-09 10:08:16
来源：《国际电子变压器》2006年10月刊
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在大功率连续波行波管的使用过程中需要一组直流阳极电源，这组电源在行波管的使用中主要用来控制电子注的成型和阴极发射电子束的大小，由于实际运行中，往往会因为其他的原因引起行波管的螺旋线电流的突然增加，甚至打火。严重的过流和打火会造成行波管的损坏。图1是直流工作状态下行波管的供电电路示意图。
因此根据需要在发生行波管螺旋线过流或者打火的时候，除了采取其他的保护措施外，还必须尽快关断阳极电源(一般要求在10-20mS的时间之内关断)。关断阳极电源可以截止行波管的阴极发射。
由图1可以看出，因为行波管阳极电源的两个电源输出端是悬浮电位，一个端子是接在阴极上面，而阴极是负高压(-15KV)，另外一个端子也是悬浮的。两个端子对于行波管的外壳或者大地都是悬浮的，并且具有一定的电压。
阳极电源的结构无论是使用开关电源或者线性电源，在输出端都接有滤波或者储能电容.因此在发生故障时，即使关断了阳极电源，但是阳极电源的滤波电容器上面的能量和电压也不可能马上消失。阳极电压而是依照阳极外电路的时间常数按指数规律衰减，因此仍然会使阴极发射电子。为了达到把阳极电压迅速降低的目的，我们在阳极电路中采用了冷阴极撬棒管器件。用来释放电容器上面的储能。
冷阴极撬棒管也叫触发火花隙。实际是电流”分流器”。起到分流故障电流的作用。它是一种金属陶瓷封装的电真空器件，内部有高压绝缘气体，它由触发极 与其相邻的相邻电极A，和与之相对的相对电极O组成。工作时在相邻电极A和相对电极O上面加有直流高压。
如果发生过流或者故障，检测电路检测到故障信号，立即产生一个触发信号给触发极，从而使撬棒管击穿导通。使得电源的电容器上面的储能通过撬棒管释放。
由于阳极电源处在高电位上面，触发极也与高电位有关。因此不得不利用脉冲变压器来提供触发脉冲。在我们目前使用的撬棒管对于触发脉冲的基本要求是：
触发脉冲电压为10KV
脉冲上升时间为1μS
触发脉冲宽度为1μS
触发源阻抗为2000Ω
因此我们根据上述的要求设计了一个输出电压10KV的脉冲变压器。下面简单介绍在制作过程中的一些特殊处理方法。
a.我们选择了环形非晶态铁心作为变压器的导磁材料。因为变压器的次级是在高电位上面，因此需要采取一些特别的措施。其目的是确保变压器的次级和初级之间的绝缘可靠。具体的措施是制作一个有机玻璃的套筒和隔离板。把绕制了初级线圈的非晶态变压器铁心放在由有机玻璃的套筒和隔离板制作的框架内部。
b.为了便于变压器的初级的绕制，降低高频集肤效应，我们采用了厚度为 0.04mm 宽度为 10mm的薄铜皮。考虑到铜皮的强度和柔度，使用两张铜皮叠加。在铜皮的外面使用0.05mm厚度的聚四氟乙烯定向薄膜作为绝缘带缠绕。根据设计的结果和环形铁心的内半径的大小，决定变压器的初级绕制12匝。这样可以刚好在铁心的内环绕制一圈。充分利用了磁芯的长度。
c.变压器的次级是绕制在由有机玻璃套筒和隔离板制作的外框架上面。套筒和隔离板的厚度为3mm左右。绕制次级的导线是采用φ0.5mm的高强度聚脂漆包线。变压比为1:12－1:13。为了尽量减少分布电容和漏感，次级线圈也在有机玻璃套筒和隔离板上面平绕制一层。由于次级线圈的输出电压超过10KV以上。同时线圈是平绕制在环形平面上。在输出脉冲高压时，线圈感应出来的电压是均匀地分配在所绕制的线匝上面。平均每一匝线圈上面的电压在80－100V的范围之内。相邻的线圈互相之间的电位差不会很大，但是如果相距几十匝之间的电位差就可能很大。同时由于线圈的首尾引出线互相靠近。因此在首尾引出线端会出现最高的电压。如果绝缘不够，有可能发生跳火或者击穿。
为了保证在次级线圈上面不发生跳火或者击穿故障。可以在每绕制紧密20匝次级线圈之后，跳开2匝线的距离再继续绕制以下的20匝，等等。依此类推。并且在次级线圈的引出端可以穿套聚四氟乙烯导管。采取这样的办法可以避免线圈上面可能出现的高压跳火或者击穿。
d.因为脉冲触发线圈是接在撬棒管的触发极和相邻电极上面。相邻电极是处在悬浮的高电位上面。所以触发线圈也一直在高电位上。虽然我们采取了利用有机玻璃套筒和隔离板制作的外框架把线圈的初级和次级隔离开。但是这种结构的变压器还不能够在空气中长期可靠和安全的工作。当然可以通过灌注环氧树脂或者硅橡胶来进一步提高变压器的绝缘性能。这样做可以减少变压器的体积。但是如果需要重新设计或者调整变压器性能时，再把非晶态铁芯取出来就很困难，甚至根本不可能。所以我们采取了把绕制好的非晶态铁心变压器浸入变压器油中。通过穿心陶瓷引出变压器的初级和次级端。
这样做的结果是大大提高了变压器的绝缘性能。然而变压器的体积就增加了不少。以体积为代价换来了安全和可靠。
按照上述介绍的内容制作的高压脉冲触发变压器在投入使用后，表明效果是很好的。满足了撬棒管触发电路的要求。
图2和图3是高压触发脉冲变压器的照片。图4是正在使用中的高压触发脉冲变压器。
因此根据需要在发生行波管螺旋线过流或者打火的时候，除了采取其他的保护措施外，还必须尽快关断阳极电源(一般要求在10-20mS的时间之内关断)。关断阳极电源可以截止行波管的阴极发射。
由图1可以看出，因为行波管阳极电源的两个电源输出端是悬浮电位，一个端子是接在阴极上面，而阴极是负高压(-15KV)，另外一个端子也是悬浮的。两个端子对于行波管的外壳或者大地都是悬浮的，并且具有一定的电压。
阳极电源的结构无论是使用开关电源或者线性电源，在输出端都接有滤波或者储能电容.因此在发生故障时，即使关断了阳极电源，但是阳极电源的滤波电容器上面的能量和电压也不可能马上消失。阳极电压而是依照阳极外电路的时间常数按指数规律衰减，因此仍然会使阴极发射电子。为了达到把阳极电压迅速降低的目的，我们在阳极电路中采用了冷阴极撬棒管器件。用来释放电容器上面的储能。
冷阴极撬棒管也叫触发火花隙。实际是电流”分流器”。起到分流故障电流的作用。它是一种金属陶瓷封装的电真空器件，内部有高压绝缘气体，它由触发极 与其相邻的相邻电极A，和与之相对的相对电极O组成。工作时在相邻电极A和相对电极O上面加有直流高压。
如果发生过流或者故障，检测电路检测到故障信号，立即产生一个触发信号给触发极，从而使撬棒管击穿导通。使得电源的电容器上面的储能通过撬棒管释放。
由于阳极电源处在高电位上面，触发极也与高电位有关。因此不得不利用脉冲变压器来提供触发脉冲。在我们目前使用的撬棒管对于触发脉冲的基本要求是：
触发脉冲电压为10KV
脉冲上升时间为1μS
触发脉冲宽度为1μS
触发源阻抗为2000Ω
因此我们根据上述的要求设计了一个输出电压10KV的脉冲变压器。下面简单介绍在制作过程中的一些特殊处理方法。
a.我们选择了环形非晶态铁心作为变压器的导磁材料。因为变压器的次级是在高电位上面，因此需要采取一些特别的措施。其目的是确保变压器的次级和初级之间的绝缘可靠。具体的措施是制作一个有机玻璃的套筒和隔离板。把绕制了初级线圈的非晶态变压器铁心放在由有机玻璃的套筒和隔离板制作的框架内部。
b.为了便于变压器的初级的绕制，降低高频集肤效应，我们采用了厚度为 0.04mm 宽度为 10mm的薄铜皮。考虑到铜皮的强度和柔度，使用两张铜皮叠加。在铜皮的外面使用0.05mm厚度的聚四氟乙烯定向薄膜作为绝缘带缠绕。根据设计的结果和环形铁心的内半径的大小，决定变压器的初级绕制12匝。这样可以刚好在铁心的内环绕制一圈。充分利用了磁芯的长度。
c.变压器的次级是绕制在由有机玻璃套筒和隔离板制作的外框架上面。套筒和隔离板的厚度为3mm左右。绕制次级的导线是采用φ0.5mm的高强度聚脂漆包线。变压比为1:12－1:13。为了尽量减少分布电容和漏感，次级线圈也在有机玻璃套筒和隔离板上面平绕制一层。由于次级线圈的输出电压超过10KV以上。同时线圈是平绕制在环形平面上。在输出脉冲高压时，线圈感应出来的电压是均匀地分配在所绕制的线匝上面。平均每一匝线圈上面的电压在80－100V的范围之内。相邻的线圈互相之间的电位差不会很大，但是如果相距几十匝之间的电位差就可能很大。同时由于线圈的首尾引出线互相靠近。因此在首尾引出线端会出现最高的电压。如果绝缘不够，有可能发生跳火或者击穿。
为了保证在次级线圈上面不发生跳火或者击穿故障。可以在每绕制紧密20匝次级线圈之后，跳开2匝线的距离再继续绕制以下的20匝，等等。依此类推。并且在次级线圈的引出端可以穿套聚四氟乙烯导管。采取这样的办法可以避免线圈上面可能出现的高压跳火或者击穿。
d.因为脉冲触发线圈是接在撬棒管的触发极和相邻电极上面。相邻电极是处在悬浮的高电位上面。所以触发线圈也一直在高电位上。虽然我们采取了利用有机玻璃套筒和隔离板制作的外框架把线圈的初级和次级隔离开。但是这种结构的变压器还不能够在空气中长期可靠和安全的工作。当然可以通过灌注环氧树脂或者硅橡胶来进一步提高变压器的绝缘性能。这样做可以减少变压器的体积。但是如果需要重新设计或者调整变压器性能时，再把非晶态铁芯取出来就很困难，甚至根本不可能。所以我们采取了把绕制好的非晶态铁心变压器浸入变压器油中。通过穿心陶瓷引出变压器的初级和次级端。
这样做的结果是大大提高了变压器的绝缘性能。然而变压器的体积就增加了不少。以体积为代价换来了安全和可靠。
按照上述介绍的内容制作的高压脉冲触发变压器在投入使用后，表明效果是很好的。满足了撬棒管触发电路的要求。
图2和图3是高压触发脉冲变压器的照片。图4是正在使用中的高压触发脉冲变压器。
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