一種基于多對繞組的脈沖變壓器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于多對繞組的脈沖變壓器，包括多個原邊繞組和多個副邊繞組；原邊繞組通過磁芯與對應(yīng)的副邊繞組耦合；多個原邊繞組依次串聯(lián)后連接初級電源，副邊繞組高壓端串接有整流硅堆；多個串接有整流硅堆的副邊繞組各自連接對應(yīng)的負(fù)載或并聯(lián)后連接同一個負(fù)載。本實用新型從電氣原理上根本解決了變壓器在大電流負(fù)荷時，多個硅堆聯(lián)用的電流平均分布問題；同時本實用新型可以將其負(fù)荷均分至多個常規(guī)型號的磁芯，避免了因磁芯體積要求過大，需特別定制帶來的高額成本以及性能的不穩(wěn)定性；變壓器的多個副邊可以并聯(lián)至單一負(fù)載，也可以獨立連接至單獨負(fù)載，對不同情況可靈活應(yīng)用。
【專利說明】—種基于多對繞組的脈沖變壓器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于脈沖功率【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于多對繞組的脈沖變壓器。【背景技術(shù)】
[0002]脈沖功率技術(shù)是將能量在空間和時間上進(jìn)行壓縮，在極短的時間內(nèi)釋放大量的能量，以產(chǎn)生特定的物理或化學(xué)效應(yīng)，在激光器、核聚變、軍事、勘探、醫(yī)療、能源環(huán)境等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。
[0003]基于電容儲能，通過閉合開關(guān)快速閉合放電，是脈沖功率技術(shù)的主要技術(shù)途徑。對于納秒量級的脈沖形成，功率較大時(數(shù)十千伏，數(shù)千安以上)，一般采用氣體開關(guān)，氣體介質(zhì)一般為空氣、氮氣、氫氣、二氧化碳、六氟化硫等。氣體開關(guān)不同的設(shè)計參數(shù)(如開關(guān)電極間距、開關(guān)充氣氣壓等)和加工工藝(電極加工成型精度、電極表面粗糙度等)會影響到開關(guān)的自擊穿電壓以及其穩(wěn)定性。當(dāng)采用直流充電時，因為開關(guān)長時間處于高壓狀態(tài)，在充電電壓達(dá)到預(yù)期工作電壓之前，很可能就會發(fā)生預(yù)擊穿，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。采用脈沖充電，如數(shù)十微妙寬度的脈沖，開關(guān)受壓過程縮短，預(yù)擊穿的概率大幅降低，同時也降低了系統(tǒng)的絕緣要求，對于多個開關(guān)聯(lián)用的脈沖功率系統(tǒng)和對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高的裝置，有很大的意義。對于民用的脈沖功率系統(tǒng)，因為其面向于工業(yè)應(yīng)用，對系統(tǒng)的重復(fù)頻率一般要求較高。比如用于廢氣處理的低溫等離子體電源，其峰值功率在兆瓦級別，但其重復(fù)頻率一般要求幾百到上千赫茲，平均功率幾十至上百千瓦。
[0004]因此，脈沖功率技術(shù)中，快速、穩(wěn)定、重復(fù)的充電技術(shù)是一個很重要的問題。一般而言，微秒級脈沖壓縮有一下幾種技術(shù)途徑:1.磁開關(guān)壓縮；2.Marx發(fā)生器；3.特斯拉變壓器；4.帶磁芯脈沖變壓器。磁開關(guān)和Marx發(fā)生器可以實現(xiàn)大能量的單脈沖壓縮，Marx發(fā)生器還可以實現(xiàn)電壓的疊加，但該兩種方案結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，還需要單獨的升壓單元。特斯拉變壓器可同時實現(xiàn)升壓和脈沖壓縮，因為不含鐵芯，初級和次級的耦合系數(shù)較小，需要經(jīng)過多次振蕩才能達(dá)到最高轉(zhuǎn)換效率，因此初級較難使用半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行控制，重復(fù)穩(wěn)定輸出性能較差。帶鐵芯的脈沖變壓器因耦合系數(shù)高，能量轉(zhuǎn)換效率也相對較高，可達(dá)到90%以上，壓縮過程沒有振蕩，初級可以使用半導(dǎo)體開關(guān)控制，可重復(fù)穩(wěn)定運行至幾十千赫茲。
[0005]一般而言，帶鐵芯脈沖變壓器在次級會串接整流硅堆進(jìn)行整流，防止電流的反向振蕩，使充電更加穩(wěn)定。當(dāng)單脈沖能量較大，或者重復(fù)頻率較高、平均功率很大時，通過整流硅堆的峰值電流和平均電流將會很大，若硅堆的承載能力不足，會直接造成燒毀。因此，當(dāng)電流負(fù)荷較大時，使用多個硅堆聯(lián)用的辦法，來分?jǐn)傠娏髫?fù)荷。最簡單的辦法是多個硅堆直接并聯(lián)，但每個硅堆的性能不可能完全一致，在導(dǎo)通狀態(tài)下的電阻不是理想的平均化，因此電流的分布是不可能很均勻，假設(shè)其中一只硅堆導(dǎo)通狀態(tài)電阻偏小，那么將承受很大的負(fù)荷，很可能超過其負(fù)載能力，造成損毀，同樣存在較大的風(fēng)險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種基于多對繞組的脈沖變壓器，其采用多磁芯多繞組設(shè)計，在副邊可實現(xiàn)多路脈沖的均流輸出，在高能量、高重復(fù)頻率、高功率的運行條件下，大幅降低了硅堆過載受損的風(fēng)險，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0007]一種基于多對繞組的脈沖變壓器，包括η個原邊繞組和η個副邊繞組；所述的原邊繞組通過磁芯與對應(yīng)的副邊繞組耦合；所述的η個原邊繞組依次串聯(lián)后連接初級電源，所述的副邊繞組聞壓端串接有整流娃堆；
[0008]η個串接有整流硅堆的副邊繞組各自連接對應(yīng)的負(fù)載或并聯(lián)后連接同一個負(fù)載，η為大于I的自然數(shù)。
[0009]所述的磁芯可采用矽鋼片、鐵氧體、非晶磁體、納米微晶、坡莫合金或其他任意一種軟磁材料。
[0010]所述的磁芯的形狀可為開隙或不開隙的環(huán)形、O形或E型等。
[0011]所述的初級電源可為工頻交流電源、諧振脈沖電源、方波脈沖電源、高頻交流電源或三角波脈沖電源等。
[0012]所述的負(fù)載可為高壓電容、傳輸線、Blumlein線、等離子體反應(yīng)器或鋰電池等。
[0013]所述的磁芯個數(shù)為多個，單個磁芯上繞置一對或多對原副邊繞組。
[0014]每一對原副邊繞組的匝數(shù)比均相同。
[0015]當(dāng)初級電源輸入一個低壓脈沖時，因為所有的原邊采用串聯(lián)的形式，每一個原邊繞組流通的電流是相同大小，即每一個原邊饋入其繞組的能量是相等的，于是在不同的副邊，可以得到相同能量的高壓脈沖輸出，其電流大小也是相等的。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益技術(shù)效果如下:
[0017](I)從電氣原理上根本解決了變壓器在大電流負(fù)荷時，多個硅堆聯(lián)用的電流平均分布問題；
[0018](2)功率越大的變壓器，其磁芯體積也越大，采用本實用新型的設(shè)計方案，可以將其負(fù)荷均分至多個常規(guī)型號的磁芯，避免了因磁芯體積要求過大，需特別定制帶來的高額成本以及定制大體積鐵芯因制作工藝不足帶來的性能的不穩(wěn)定性；
[0019](3)變壓器的多個副邊可以并聯(lián)至單一負(fù)載，也可以獨立連接至單獨負(fù)載，對不同情況可靈活應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本實用新型脈沖變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為采用本實用新型脈沖變壓器對納秒脈沖功率系統(tǒng)快速充電的實施示意圖。
[0022]圖3為采用本實用新型脈沖變壓器產(chǎn)生方波脈沖的實施示意圖。
[0023]圖4為采用本實用新型脈沖變壓器驅(qū)動多個低溫等離子體反應(yīng)器的實施示意圖。
[0024]圖5為采用本實用新型脈沖變壓器對電動汽車鋰電池進(jìn)行快速恒流充電的實施示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為了更為具體地描述本實用新型，下面結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本實用新型的技術(shù)方案及其相關(guān)原理進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026]實施例1[0027]如圖1所示，一種基于多對繞組的脈沖變壓器，包括η個原邊繞組I和η個副邊繞組3 ;原邊繞組I通過磁芯2與對應(yīng)的副邊繞組3耦合；η個原邊繞組I依次串聯(lián)后連接初級電源5，副邊繞組3高壓端串接有整流硅堆4 ；η個串接有整流硅堆4的副邊繞組3并聯(lián)后連接負(fù)載6 ;每一對原副邊繞組的匝數(shù)比均相同。
[0028]原邊繞組I和副邊繞組3通過磁芯2耦合，副邊繞組高壓端連接整流硅堆4，由此構(gòu)成一個繞組單元W1。整臺變壓器由W1、W2..^Wn共η個相同的繞組單元組成。每個單元的原邊繞組I依次串聯(lián)，再連接初級電源5，通過每個原邊繞組的電流相等；副邊繞組3經(jīng)過整流硅堆4相互并聯(lián)，再輸出至負(fù)載6，流經(jīng)每個副邊繞組3和整流硅堆4的電流相等。[0029]因所有的原邊繞組I為串聯(lián)方式，因此由初級電源5饋入到每個原邊繞組I的電流相等，因此每個原邊繞組I耦合到副邊繞組3的能量相同，于是每個副邊繞組3輸出的電流大小是相等的。
[0030]實施例2[0031]圖2中，原邊繞組I和副邊繞組3通過磁芯2耦合，副邊繞組高壓端連接整流硅堆4,由此構(gòu)成一個繞組單元W1。整臺變壓器由W1、W2...Wn共η個相同的繞組單元組成。每個單元的原邊繞組I依次串聯(lián)，再連接至初級脈沖電源5的電容6和半導(dǎo)體開關(guān)7 ;副邊繞組3經(jīng)過整流硅堆4相互并聯(lián)，再連接至納秒脈沖功率系統(tǒng)8的高壓儲能電容9，為其快速高壓充電。
[0032]實施例3
[0033]圖3中，原邊繞組I和副邊繞組3通過磁芯2耦合，副邊繞組高壓端連接整流硅堆4,由此構(gòu)成一個繞組單元W1。整臺變壓器由W1、W2...Wn共η個相同的繞組單元組成。每個單元的原邊繞組I依次串聯(lián)，再連接至初級方波脈沖電源5的脈沖形成線6和半導(dǎo)體開關(guān)7 ;副邊繞組3經(jīng)過整流硅堆4相互并聯(lián)，再連接至負(fù)載8，在負(fù)載8上獲得高壓方波輸出。
[0034]實施例4
[0035]圖4中，原邊繞組I和副邊繞組3通過磁芯2耦合，副邊繞組高壓端連接整流硅堆
4,由此構(gòu)成一個繞組單元Wl。整臺變壓器由W1、W2...Wn共η個相同的繞組單元組成。每個單元的原邊繞組I依次串聯(lián)，再連接至初級脈沖電源5的電容6和半導(dǎo)體開關(guān)7 ;副邊繞組3經(jīng)過整流硅堆4獨立連接到一個等離子體反應(yīng)器8，獲得大規(guī)模的等離子體放電。
[0036]實施例5
[0037]圖5中，原邊繞組I和副邊繞組3通過磁芯2耦合，副邊繞組高壓端連接整流硅堆
4,由此構(gòu)成一個繞組單元W1。整臺變壓器由W1、W2...Wn共η個相同的繞組單元組成。每個單元的原邊繞組I依次串聯(lián)，再連接至初級脈沖電源5的電容6和半導(dǎo)體開關(guān)7 ;副邊繞組3經(jīng)過整流硅堆4相互并聯(lián)，再連接至電動汽車鋰電池組8，為其大功率恒流快速充電。
【權(quán)利要求】
1.一種基于多對繞組的脈沖變壓器，其特征在于:包括η個原邊繞組和η個副邊繞組；所述的原邊繞組通過磁芯與對應(yīng)的副邊繞組耦合；所述的η個原邊繞組依次串聯(lián)后連接初級電源，所述的副邊繞組高壓端串接有整流硅堆； η個串接有整流硅堆的副邊繞組各自連接對應(yīng)的負(fù)載或并聯(lián)后連接同一個負(fù)載，η為大于I的自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器，其特征在于:所述的磁芯采用軟磁材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器，其特征在于:所述的磁芯的形狀為環(huán)形、O形或E型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器，其特征在于:所述的初級電源采用工頻交流電源、諧振脈沖電源、方波脈沖電源、高頻交流電源或三角波脈沖電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器，其特征在于:所述的負(fù)載采用高壓電容、傳輸線、Blumlein線、等離子體反應(yīng)器或鋰電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器，其特征在于:所述的磁芯個數(shù)為多個，單個磁芯上繞置一對或多對原副邊繞組。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器，其特征在于:每一對原副邊繞組的匝數(shù)比均相同。
【文檔編號】H01F27/28GK203706812SQ201320858343
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】閆克平, 鄧官壘, 劉振, 黃逸凡 申請人:浙江大學(xué)