[發明專利]一種基于多對繞組的脈沖變壓器

無效

• 申請號: 201310720043.2
• 申請日: 2013-12-24
• 公開（公告）號: CN103730234A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 閆克平;鄧官壘;劉振;黃逸凡
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01F27/28
• 分類號: H01F27/28;H01F27/40;H01F19/08
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于脈沖功率技術領域，具體涉及一種基于多對繞組的脈沖變壓器。

背景技術

脈沖功率技術是將能量在空間和時間上進行壓縮，在極短的時間內釋放大量的能量，以產生特定的物理或化學效應，在激光器、核聚變、軍事、勘探、醫療、能源環境等領域有著廣闊的應用。

基于電容儲能，通過閉合開關快速閉合放電，是脈沖功率技術的主要技術途徑。對于納秒量級的脈沖形成，功率較大時（數十千伏，數千安以上），一般采用氣體開關，氣體介質一般為空氣、氮氣、氫氣、二氧化碳、六氟化硫等。氣體開關不同的設計參數（如開關電極間距、開關充氣氣壓等）和加工工藝（電極加工成型精度、電極表面粗糙度等）會影響到開關的自擊穿電壓以及其穩定性。當采用直流充電時，因為開關長時間處于高壓狀態，在充電電壓達到預期工作電壓之前，很可能就會發生預擊穿，影響系統穩定運行。采用脈沖充電，如數十微妙寬度的脈沖，開關受壓過程縮短，預擊穿的概率大幅降低，同時也降低了系統的絕緣要求，對于多個開關聯用的脈沖功率系統和對系統穩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，因為其面向于工業應用，對系統的重復頻率一般要求較高。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，但其重復頻率一般要求幾百到上千赫茲，平均功率幾十至上百千瓦。

因此，脈沖功率技術中，快速、穩定、重復的充電技術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途徑：1.磁開關壓縮；2.Marx發生器；3.特斯拉變壓器；4.帶磁芯脈沖變壓器。磁開關和Marx發生器可以實現大能量的單脈沖壓縮，Marx發生器還可以實現電壓的疊加，但該兩種方案結構較為復雜，還需要單獨的升壓單元。特斯拉變壓器可同時實現升壓和脈沖壓縮，因為不含鐵芯，初級和次級的耦合系數較小，需要經過多次振蕩才能達到最高轉換效率，因此初級較難使用半導體開關進行控制，重復穩定輸出性能較差。帶鐵芯的脈沖變壓器因耦合系數高，能量轉換效率也相對較高，可達到90%以上，壓縮過程沒有振蕩，初級可以使用半導體開關控制，可重復穩定運行至幾十千赫茲。

一般而言，帶鐵芯脈沖變壓器在次級會串接整流硅堆進行整流，防止電流的反向振蕩，使充電更加穩定。當單脈沖能量較大，或者重復頻率較高、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，當電流負荷較大時，使用多個硅堆聯用的辦法，來分攤電流負荷。最簡單的辦法是多個硅堆直接并聯，但每個硅堆的性能不可能完全一致，在導通狀態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，假設其中一只硅堆導通狀態電阻偏小，那么將承受很大的負荷，很可能超過其負載能力，造成損毀，同樣存在較大的風險。

發明內容

針對現有技術所存在的上述技術問題，本發明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計，在副邊可實現多路脈沖的均流輸出，在高能量、高重復頻率、高功率的運行條件下，大幅降低了硅堆過載受損的風險，提高了系統的穩定性。

一種基于多對繞組的脈沖變壓器，包括n個原邊繞組和n個副邊繞組；所述的原邊繞組通過磁芯與對應的副邊繞組耦合；所述的n個原邊繞組依次串聯后連接初級電源，所述的副邊繞組高壓端串接有整流硅堆；

n個串接有整流硅堆的副邊繞組各自連接對應的負載或并聯后連接同一個負載，n為大于1的自然數。

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。

所述的磁芯的形狀可為開隙或不開隙的環形、O形或E型等。

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。

所述的負載可為高壓電容、傳輸線、Blumlein線、等離子體反應器或鋰電池等。

所述的磁芯個數為多個，單個磁芯上繞置一對或多對原副邊繞組。

每一對原副邊繞組的匝數比均相同。

當初級電源輸入一個低壓脈沖時，因為所有的原邊采用串聯的形式，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。

與現有技術相比，本發明的有益技術效果如下：

（1）從電氣原理上根本解決了變壓器在大電流負荷時，多個硅堆聯用的電流平均分布問題；