摘要：  本文介绍了大功率高压高频变压器的技术特点和现有模式，提出了一种先进的模块化设计结构。

关键字：  高压高频变压器，模块化，分布参数，大功率

1 前言
近年来，大功率（大于10kW）、高压（大于10kV）、高频（大于20kHz）AC-DC电源变换器的应用越来越广泛，如应用于氩弧焊、静电除尘、脱水以及脱硫脱硝等工业领域。如图1所示，这些工业过程需要获得一个高压DC的电源输出，一般先通过逆变后经升压变压器整流输出。在这种大功率的高压开关电源中，实现能量的存储和传递、用以隔离和升压的高频变压器是项目设计的关键和难点，其性能的好坏不仅直接影响到输出是否产生波形的畸变及能量传输的效率，而且可能影响到功率开关器件的安全工作。因此，大功率高压高频变压器的设计显得尤为重要。
2 大功率高压高频变压器的设计特点
大功率、高压、高频变压器与普通变压器的设计方法不同，主要表现在：绝缘需求、寄生成分、空载损耗、负载损耗、电晕放电及整流等方面。一次绕组和二次绕组之间需要有效的绝缘厚度或距离，以避免电场击穿。因此，一次绕组和二次绕组之间的电磁耦合不像传统的低压变压器那样紧凑。对于一次侧来说，这将导致寄生泄漏电感，从而影响变压器的最大功率容量。特别是在设计大功率、高压变压器的时候，如要保证足够的绝缘距离，就会有寄生电感产生。影响漏感的因素有：①变压器的结构形式及尺寸；②铁芯形状（环形最小）、尺寸、初级和次级绕组匝数；②导线截面积、绕组绕制方式、绝缘距离等；可以由式(1)表示：
                     (1)
式中：h为绕组厚度(cm)；L1为初级绕组周长(cm)；L2为次级绕组周长(cm)；L3为初、次级间绕组周长(cm)；a1为初级绕组厚度(cm)；a2为次级绕组厚度(cm)；a3为初、次级间绕组厚度(cm)；µ0为空气导磁率；N1为初级匝数。
可以看出，高频变压器的漏感实质上是一个线性电抗，它与有效负载一样，制约着电源的输出功率，它对电源输出回路的影响可以通过（式2）、（式3）说明：
                                            (2)
                          (3)
式中：Io为输出电流；Uo为高频变压器次级输出电压；Z为输出回路总阻抗；X1，X2分别为折算到高频变压器次级的总漏抗和回路总感抗。
虽然适当的漏感可以抑制例如应用在ESP时闪烙引起的短路电流，但很显然，若高频变压器漏抗太大，则电源无法输出所需的最大电流，输出功率明显减小。所以即便是对于大变比的高压变压器也必须控制漏感的量，如有可能使用磁环，则可极大地降低漏感。
同样，在变压器中，由于两个导体之间分布或寄生的电气耦合，绕组线匝之间、同一绕组上下层之间、不同绕组之间、绕组对屏蔽层之间沿着某一线长度方向的电位分布是变化的，这样就形成了分布电容。由式(4)表示：
                            (4)
式中：M为分段的段数；N为每段的层数；Co为静态电容(pf)；U为层间的电位差。
高频变压器的分布电容主要是由绕组对磁芯（或对屏蔽层）分布电容、各绕组之间分布电容、绕组与绕组之间分布电容、以及初、次级之间分布电容四部分组成（其中初、次级之间的分布电容由于高频高压变压器基本都设有屏蔽绕组，由于屏蔽层的存在，大大减小了原副边耦合电容，其影响可以忽略）。电容量的大小主要取决于绕组的几何形状。高压变压器一般会有比较大的匝数比，二次绕组的匝数较多，将产生较大的分布电容。对于二次侧来说，分布电容可达到匝数比平方的数倍，导致无效电流通过二次绕组，从而使变压器效率降低。
目前在高频高压变压器制作过程中，为尽量减小其分布电容，次级绕组一般采用分层、分段或分线包绕制，即将次级绕组分为多 个线包，各线包之间串联连接，每个线包从最底层开始向上逐渐减少匝数；具体到相邻两层的电气连接方式主要有“]”型、“∠”型、“Z”型三种绕组结构；也有采用分槽绕制结构的。[#page#]
3 大功率高压高频变压器的现有的输出模式
对于大功率高压开关电源，由于电压高，电流一般较大，硬开关PWM变换器受到变压器寄生参数的影响，易造成功率开关开通时产生浪涌电流，关断时产生浪涌电压，从而增加开关损耗。因此，现在一般采用谐振变换技术（即软开关技术），将变压器的寄生参数充分利用参与谐振，使通过功率开关的电流或电压波形为正弦波或准正弦波，实现开关的零电压(ZVS)或零电流(ZCS)开通与关断。图2给出这种电路的拓扑结构：
最后实现高电压大电流输出高压变压器（转换器）又可分为以下几种模式：
1)倍压整流模式
倍压整流模式是在变换器的整流输出环节采用倍压整流技术，从而减小了变压器的升压倍数，使变压器的电压等级降低。电压等级降低了，变压器二次绕组与一次绕组的匝数比减小从而减小了寄生电容。同时，变压器的绝缘设计相对变得比较容易，很大程度上减小了变压器的体积和整个电源系统的重量。
倍压整流电路只能在负载较轻的情况下才能正常工作， 对于如静电除尘等需要大功率电源的情况下，由于电流较大，采用倍压整流将会使电压降低，达不到所要求的电压输出，因此倍压级数不能太高，一般最多为二级倍压为宜。
倍压电路在正常工作状态下，输出电压很稳定，但是当负载出现短路或者负载电场击穿放电（静电除尘）时，倍压整流电路将产生超过正常电流几十倍的浪涌电流，对电源系统的安全运行带来影响。因此，必须采取有效的保护措施加以防范，如在负载处串联限流电阻等。
2)串/并联输出模式
该模式是在变压器内部各个次级线包之间进行串/并联组合后整流输出，或者各个次级线包单独整流输出后再进行串/并联组合，以实现所需要的功率和电压输出。各个次级线包之间具有公共的磁路。在大功率、高压、高频逆变器开关电源中，升压变压器一次侧电压较低，二次侧电压较高，通过一次侧绕组的电流很大，但二次侧绕组匝数多，因此，串/并联输出模式中升压变压器是将二次绕组分成多个线包，各个线包进行串/并联组合或者单独输出。其模式框图如图4所示。
这种变压器模式由于各个线包具有公共的磁路，耦合性和同步性较好，具有相对较低的生产成本。同时，也可根据不同的负载电压和电流的要求进行组合，还可以在单台变压器提供多种电压等级输出。但是，由于都在同一台变压器内部实现，局部发热、绝缘处理、漏磁损耗和寄生参数等需要根据具体要求进行优化设计。特别是高压二次侧线包进行串联连接的多重化设计，线包数量、绕组层数、绕组高度、线包间表面爬电距离等需要留够裕量，同时得充分考虑变压器的体积大小、绕制及连线、装配工艺等。
上述大功率高压高频变压器（转换器）的制成方式都有以下共同特点：
1)共有一付大功率铁芯（该铁芯也有可能是几付铁芯并联）；
2)所有次级绕组绕制在一付铁芯上，各个次级绕组之间没有单独的磁芯和磁路；
3)初级绕组绕制（装配）完成后，绕制（装配）次级绕组，初、次级绕组都共有一付铁芯；
4)次级绕组相对初级绕组远离铁芯。
通过上述方式绕制的变压器所构成的高压转换器（整流或倍压电路与高频高压变压器基本上都是装在一个绝缘的油箱系统中），一旦出现由于负载短路、打火等原因而导致任何一个次级绕组的损坏，将会导致整个系统的失效，其中变压器基本上是需要整体维修，设备无法在短时间恢复运行。
如果需要进一步提高功率或电压，无论采取何种模式，都有其固有的缺陷，实现起来也并不容易。或者更换变压器铁芯重新设计，但若电压或功率每升高或降低一个数量，变压器就要完全重新设计、制作这也不适应现在工业化的要求。特别是输出电压进一步升高的情况下，虽然可以通分层、分段、分包、分槽等绕制方式，但由于受到工艺制作的局限，使得如何控制分布参数尤其是分布电容将变得十分困难。[#page#]
4 大功率高压高频变压器模块化的创新设计
基于这些客观存在的基本问题，我们设计了一种能通过简单的模块化的绕组线包的增减，满足功率或电压的改变，并且在不增加漏感的同时，能极大地减小变压器分布电容的全新的适用于大功率高压高频AC-DC转换器，该系统具备以下几个特殊点：
1)在变压器次级建立多个绕组，使得变压器更具有容错功能，从而使得一个绕组的短路不一定会导致整个系统的失效，并在次级各绕组之间没有任何磁耦合的大功率高压高频变压器模式。
2)提供模块化系统，通过单独添加或删除次级绕组可以允许系统功率、电压按比例地增大或减小。
3)相对其它大功率高压高频变压器一付磁芯多个次级绕组不同，这里至少要包含真正意义上的两付磁芯，每个次级绕组都有一个单独的磁芯，从而使得系统能够真正模块化。
4)尽量使用标准化或常用的超微晶环形磁芯（磁环）以降低漏感，提高功率密度和转换效率，同时缩短生产周期、降低产品成本。
根据以上论述图5给出了在图2拓扑情况下的变压器构成原理图。
据此，我们在绕组和磁芯之间提出了一种全新的结构模式，同时也包括高压整流器。其基本原则是：用一定数量的高压模块相串联，每一个模块由一个独立的磁芯、一个高压绕组和绝缘材料组成。每个独立的磁芯与一个高压整流器相连接也就是每个次级绕组连接到一个高压整流器。该整流器的输出串联连接，产生的总和构成总的输出电压。这些模块被放置成特定的位置，以便初级绕组能够应用并贯通所有的模块。主绝缘（初、次级之间）可以通过例如绝缘管的方式构成。该绝缘管同时也是作为变压器的内支柱使用。所有支柱上的环形磁芯都是同轴叠加排列，并在磁环外绕制次级线圈。在次级绕组磁环的中心孔处，安装了高强度绝缘材料管，一方面用于初、次级绕组的绝缘和初级绕组的绕制，另一方面作为变压器的固定支撑结构。通过这种方式可以根据设计要求极其方便地控制初、次级之间的绝缘强度。变压器是一个模块化的构造方式，即初级绕组被分成几组独立的绕组，在本方案中，被分成四组绕组，同样，次级绕组结构也被分成单个元素，例如，在本设计中是12个模块。因此，对于每组初级绕组都有多个次级绕组相对应，在本方案中，每组初级绕组有3个次级绕组相对应。每个独立的次级绕组都包含一组其本身的高压整流器，所有的高压整流器都串联连接，本方案中是12组，每边6组，最终的输出电压是串联叠加的总和。相对于以前的技术，就是现在每个次级绕组都是通过各自独立的磁芯耦合到相对应的主绕组。相当于每个次级绕组都有一个独立的磁芯。通过这种方式，既提高了耦合性和同步性，而且消除了初、次级之间交叉干扰的影响、有效地抵消初级绕组产生的杂散磁场。
由于该设计摆脱了常规的高频高压变压器采用的单个大功率铁芯绕制模式、线圈绕制方法、以及安装结构，采用了多个环形线圈绕组串联叠加，一方面可以很好地控制和降低漏感，这可以从前面的漏感计算公式得到结论：

设N1初级匝数相同，采用本设计方案后，非常明显，上述公式中的变量参数如绕组厚度h、次级绕组周长L2等都小于常规模式。
对于另一关键指标：分布电容，因为次级绕组都是由数个绕制好线圈的环形磁芯在同一绝缘支柱上同轴叠加排列而成，如图6所示。
基本上不存在由两层之间的对应匝的电容并联而成的静态层间电容Co（如图7所示）这一最主要因素，所以根据分布电容计算公式：