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摘要：考虑到绝缘因素，在设计过程中，大功率高频高压变压器的副边绕组往往被分割成多个线包，其输出常采用标准整流、集成整流、 二倍压整流三种整流方式。本文通过对三种方式下副边各个线包的交流电压分量和直流电压分量的比较，得出了集成整流方式和而被整流方式对高压直流电源变压器绝缘老化的延迟有利。尤其，二倍整流方式采用对绝缘要求和副边绕组的寄生电容减少。在分析的基础上，采用二倍整流方式，研制出静电除尘用大功率高频高压直流电源。
关键词： 大功率高频高压变压器， 整流方式， 绝缘老化
Abstract: High-frequency high-voltage high-power transformer secondary winding is split into multiple line packages: The standardized rectifier, integrated rectifier, and double voltage rectifier. This paper compares the three aforementioned rectifiers, analyses the secondary AC voltage of each line components of the package and DC voltage components. Observed from double and integrated rectifier, the rectification methods are beneficial for high-voltage DC power transformer to delay insulation aging. The use of double voltage rectification and required insulation in secondary windings reduces parasitic capacitance. Design and manufacturing of high-power high-voltage DC power supply are based on of the analysis of using double rectification.
Keyword: High frequency high-voltage transformer; Rectification mode; Insulation aging.
中图分类号： TM42文献标识码：A 文章编号：
1 引言
作为环境保护的一个重要组成部分，高压静电除尘具有广阔的应用前景。静电除尘变压整流器作为其电源系统的核心部分，除了担任隔离升压、能量传递作用外，还影响着电路的稳定运行；因此其设计显得尤为重要。
对于静电除尘电源来说，高频高压变压器作为其一个重要组成部分，它的引入不仅可以减少电源的体积和重量，也会对生产、安装、运输、环境以及成本做出重大改进。高频高压变压器的原副边绕组匝比大， 绕组匝间电压和层间电压比工频变压器要高几百倍，因此其绝缘问题显得至关重要。
图1 静电除尘用大功率高频高压直流电源
变压器的故障的大部分由于绝缘破坏引起的。在交流电压上绝缘老化主要是由空间介电损耗和局部放电引起的， 然而在直流电压绝缘老化是由于热损失引起的。 实际情况下大多数绝缘击穿是由交流电压所引起的[1]。
在高频高压变压器设计中，研究者提出了合理的高压绕组的制造方法，如多绕组构成法、多铁芯构成法等等。文章[2，3，4]提出了多铁芯构成法：每个副边绕组缠绕着一个铁芯，原边绕组缠绕在副边绕组和铁芯之外，这样设计可以满足高压绝缘要求并减少绕组的空间，降低铁芯的损耗；但制造上对工艺要求比较高[5]。文章[6，7]提出了变压器副边绕组串联方法：将副边绕组分割为几个线包，并进行合理的优化设计。
在高频高压变压器中则存在“高频促使变压器体积减小”和“高压促使变压器体积增大”的矛盾。这些矛盾可以通过副边匝数的减少和倍压整流器的引进，提高输出电压的水平[8，9,10]。
2 高压变压器输出整流方式
副边高压整流方式可以分别以下三种方式，如图2（（a），（b），（c））所示。
第一种方式是标准整流方式（Standard Rectification），所有副边线包都串联起来以后产生的高压交流电压连接到高压整流器。二极管的数量是依据其耐压和额定电流而选定的（图2（a））。
图2 高压整流方式
第二种方式是集成整流方式（Intergrated Rectification），每个线包分别整流，而后将其整流桥串联而成（图2（b））。
第三种方式是倍电压整流方式（double voltage rectification），对每个线包进行倍压整流后，将其电容串联而成（图2（c））。
3 整流方式的效果分析
考察副边绕组被分割成多个线包的变压器，每个副边线包的始终两端为分别（A1，B1），（A2，B2），∙∙∙，（An，Bn），n为副边线包数。 假设每个线包的结构都是完全对称的（包括匝数，绕制结构，层数等）。由变压器的几何对称性，每个副边线包被感应产出的电压都为U2。，为给定的输出电压。
在不同整流方式下，每个副边线包所产生的电势也不同。在三种情况下（标准整流，集成整流和二倍整流），电势在直流电压上出现交流变化，但直流电压分量和交流电压分量都不一样。具体如下：
（1）标准整流
在标准整流的情况下，直流电压分量为。每个线包的交流电压分量按照线包所处位置不同而不同。从中线包为左右对称， 可以写成如下式（1）。
（1）
（2）集成整流
每个副边线包的交流电压分量都为。 每个线包直流电压分量也可以写成如下式（2）。
（2）
（3）二倍压整流
二倍压整流下的每个绕组电压分量和集成整流方式一樣。也就是说，交流分量为，直流分量也如式（2）所示。不同的是在输出电压相同的情况下，通过倍压电路作用，其线包电压降为集成整流时一半。
副边绕组被分割成四个线包的变压器为例， 不同整流方式下副边每个线包的直流和交流电压分量的Matlab/simulink仿真结果如图3和图4所示。
图3 标准整流方式下的每个线包交流电压分量
图4 集成和二倍压整流下的线包电压分量
综上分析，不同的整流方式不影响输出侧直流电压，但会影响变压器每个线包的电场分布。由于绝缘材料中局部放电问题主要由交流电场引起的，通过改进交流电场可以在一定程度上降低绝缘要求。
4 大功率高频高压变压整流器设计
对于大功率高频高压变压器制造来说，必须首先考虑高压绝缘和副边绕组的寄生电容。如上所述，变压器副边绕组分割多个线包是可以减少交流电压分量，有利于绝缘设计。尤其在此基础之上采用二倍整流方式，变压器的绕线之间和层之间的绝缘距离可以增大一倍， 绝缘距离和变压器铁芯窗口面积之间的矛盾相当程度上解决；同时，绕组层数也可以减少一般，变压器副边绕组寄生电容也可以减少。基于此，我们采用二倍整流方式设计并制造了静电除尘用高频高压直流电源。
变压器设计
设计条件：输入最低直流电压为500V，频率为10kHz，输入功率为90kW，输出功率为80kW，输出电压为80kV，负载电流为1A。铁芯材料采用中心柱为8角，截面为46mm2的E形铁氧芯。
原边绕组采用厚0.5mm，宽120mm的铜箔。层间绝缘采用单层0.5mm DMD（电气强度≥4MV/m）。
充分考虑趋肤效应和临近效应，副边绕组采用导线直径为1.2mm、外径为1.7mm的AMD-250高温绝缘导线，该导线的标称耐压大于10kV。因此匝间绝缘采用导线本身的绝缘即可满足要求。
整流器设计
输出电容的选择
容量计算按照如下公式
（3）
Δt: 半个开关周期
ΔU: 输出电压的脉动量
I: 输出额定电流
考虑系统运行的稳定性，选ΔU =3%U，可以算出来为约0.015μF。整个电路由于8个线包的二倍整流器串联，所以每个线包的电容容量为0.12μF，而且电容的耐压考虑一定的富余量。 考虑以上因素我们每个线包采用12个2.2μF/2000V的电容串联，考虑到稳压因素，每个电容并有1MΩ的分压电阻。
（2）整流器的二极管
二极管的选择必须考虑整流器上的二极管能承受得反向电压和尖峰电流,考虑到开关电源一般工作在高频状态，所以本文选择快速恢复二极管。
二倍整流电路中，整流二极管所承受的最大反向电压为：
考慮到整流二极管因自身结电容和高频变压器漏感的影响， 二极管在通断时会产生尖峰电压，当考虑两倍电压裕量时，二极管的耐压值为：10000V×2=20000V。
综上分析，选用型号为BY359X的快恢复二极管模块。变压器次级每个线包采用28个二极管模块串联，整个全波整流电路共需要224个快恢复二极管模块。 BY359X的主要参数为： 反向电压VR≥1500V， 快恢复时间Trr≤35ns， 正向压降VF=1.0V， 反向漏电流IRRM=1mA。
图5 高压变压器和整流器
（3）变压器和整流器的安装
高压变压器和整流器结构如图5所示。变压器和整流器一起浸泡变压器油箱，解决了变压器副边的绕组之间绝缘以及整流器元件之间绝缘问题和散热问题。
5 实验结果
实际应用时，变压器浸在油中。试验中，变压器置于空气中，工作在低压轻载状态。
变换器为IGBT移相全桥软开关变换器，变换器的输入直流电压为50V，开关频率为10kHz。
占空比不同情况下的逆变器输出电流和和电压波形给出如图6-8。
图6 占空比为0.3时，电流和电压波形
图7 占空比为0.8时，电流和电压波形
图8. 占空比为0.95时，电流和电压波形
通过实验，显然，开关管开通时零电流导通。也就是说，利用变压器的本身漏感代替谐振变换器的外加电感，再也不需要外部电感。
6 结论
本文在大功率高频高压变压器的副变拥有多个线包基础之上，分析了不同整流方式产生的电场的直流和交流分量，研究发现采用线包和整流器一体化（集成整流）方式可以在一定程度上解决高压绝缘问题。采用集成或二倍整流方式时，每个副边绕组线包的交流电压分量大小都一样，为标准整流方式。
其次我们研究减小变压器副边绕组分布电容问题。研究发现采用二倍整流方式是静电除尘用高频高压电源的最合适的选择。基于此我们研制出静电除尘用大功率高频高压直流电源。
变压器结构上原边和副变之间构成油道，有助于绕组散热同时增加漏感，通过试验可知该漏感可以充当谐振电感角色。
参考文献
[1] E．A．Feilat，S．Grzybowski，P．Knight． Accelerated aging of high voltage encapsulated transformers for electronics applications[C]．in Proc．6th Int．Conf． Properties Appl．Dielectr．Mater．2000，：209–212．
[2] T．Filchev，F．Carastro，P．Wheeler，J．Clare． High voltage high frequency power transformer for pulsed power application[C]．Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC)，2010，： 165-170．
[3] T．Filchev，J．Clare，P．Wheeler， R．Richardson．Design of high voltage high frequency transformer for pulsed power applications[C]．Pulsed Power Conference， 2009，：1–4．
[4] M．A．Perez，C．Blanco，M．Rico， F．F．Linera．A new topology for high voltage，high frequency transformers[C]．Applied Power Electronics Conference and Exposition，1995，：554-559．
[5] T．Filchev，D．Cook，J．Clare，P．Wheeler． High voltage，high frequency transformer switching converter integration[C]．High Power RF Technologies，2009．IET．Conference，2009，：1-4．
[6] Jun Liu，Licheng Sheng，Jianjiang Shi，Zhongchao Zhang，Xiangning He．Design of High Voltage，High Power and High Frequency Transformer in LCC Resonant Converter[C]．Applied Power Electronics Conference and Exposition，APEC，2009，：1034-1038．
[7] 张周胜，肖登明，陈桂文．大功率，高压，高频变压器的串联优化设计[J]．高电压技术，2009，35（5）：1231-1236．
[8] Van der Broeck，H．Analysis of a current fed voltage multiplier bridge for high voltage applications[J]．PESC 02．IEEE 33rd ，2002，4，：1919-1924．
[9] S．Iqbal．A three-phase symmetrical multistage Voltage multiplier．Power Electronics Letters，IEEE 2005，3（1），：30–33．
[10] T．Filchev，D．Cook，P．Wheeler，A．Van den Bossche，J．Clare，V．Valchev．High power，high voltage，high frequency transformer/rectifier for HV industrial applications．Power Electronics and Motion Control Conference，EPE-PEMC 2008． 13th， 2008，：1326-1331．
作者介绍
林元哲
1969-，男，在读博士，从事电力电子技术在电力系统中应用；
石新春
1950-，男，博士生导师，从事电力电子技术在电力系统中应用
陈垠锟
1984-男，硕士研究生，从事电力电子技术在电力系统中应用
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词： 大功率高频高压变压器， 整流方式， 绝缘老化
Abstract: High-frequency high-voltage high-power transformer secondary winding is split into multiple line packages: The standardized rectifier, integrated rectifier, and double voltage rectifier. This paper compares the three aforementioned rectifiers, analyses the secondary AC voltage of each line components of the package and DC voltage components. Observed from double and integrated rectifier, the rectification methods are beneficial for high-voltage DC power transformer to delay insulation aging. The use of double voltage rectification and required insulation in secondary windings reduces parasitic capacitance. Design and manufacturing of high-power high-voltage DC power supply are based on of the analysis of using double rectification.
Keyword: High frequency high-voltage transformer; Rectification mode; Insulation aging.
中图分类号： TM42文献标识码：A 文章编号：
1 引言
作为环境保护的一个重要组成部分，高压静电除尘具有广阔的应用前景。静电除尘变压整流器作为其电源系统的核心部分，除了担任隔离升压、能量传递作用外，还影响着电路的稳定运行；因此其设计显得尤为重要。
对于静电除尘电源来说，高频高压变压器作为其一个重要组成部分，它的引入不仅可以减少电源的体积和重量，也会对生产、安装、运输、环境以及成本做出重大改进。高频高压变压器的原副边绕组匝比大， 绕组匝间电压和层间电压比工频变压器要高几百倍，因此其绝缘问题显得至关重要。
图1 静电除尘用大功率高频高压直流电源
变压器的故障的大部分由于绝缘破坏引起的。在交流电压上绝缘老化主要是由空间介电损耗和局部放电引起的， 然而在直流电压绝缘老化是由于热损失引起的。 实际情况下大多数绝缘击穿是由交流电压所引起的[1]。
在高频高压变压器设计中，研究者提出了合理的高压绕组的制造方法，如多绕组构成法、多铁芯构成法等等。文章[2，3，4]提出了多铁芯构成法：每个副边绕组缠绕着一个铁芯，原边绕组缠绕在副边绕组和铁芯之外，这样设计可以满足高压绝缘要求并减少绕组的空间，降低铁芯的损耗；但制造上对工艺要求比较高[5]。文章[6，7]提出了变压器副边绕组串联方法：将副边绕组分割为几个线包，并进行合理的优化设计。
在高频高压变压器中则存在“高频促使变压器体积减小”和“高压促使变压器体积增大”的矛盾。这些矛盾可以通过副边匝数的减少和倍压整流器的引进，提高输出电压的水平[8，9,10]。
2 高压变压器输出整流方式
副边高压整流方式可以分别以下三种方式，如图2（（a），（b），（c））所示。
第一种方式是标准整流方式（Standard Rectification），所有副边线包都串联起来以后产生的高压交流电压连接到高压整流器。二极管的数量是依据其耐压和额定电流而选定的（图2（a））。
图2 高压整流方式
第二种方式是集成整流方式（Intergrated Rectification），每个线包分别整流，而后将其整流桥串联而成（图2（b））。
第三种方式是倍电压整流方式（double voltage rectification），对每个线包进行倍压整流后，将其电容串联而成（图2（c））。
3 整流方式的效果分析
考察副边绕组被分割成多个线包的变压器，每个副边线包的始终两端为分别（A1，B1），（A2，B2），∙∙∙，（An，Bn），n为副边线包数。 假设每个线包的结构都是完全对称的（包括匝数，绕制结构，层数等）。由变压器的几何对称性，每个副边线包被感应产出的电压都为U2。，为给定的输出电压。
在不同整流方式下，每个副边线包所产生的电势也不同。在三种情况下（标准整流，集成整流和二倍整流），电势在直流电压上出现交流变化，但直流电压分量和交流电压分量都不一样。具体如下：
（1）标准整流
在标准整流的情况下，直流电压分量为。每个线包的交流电压分量按照线包所处位置不同而不同。从中线包为左右对称， 可以写成如下式（1）。
（1）
（2）集成整流
每个副边线包的交流电压分量都为。 每个线包直流电压分量也可以写成如下式（2）。
（2）
（3）二倍压整流
二倍压整流下的每个绕组电压分量和集成整流方式一樣。也就是说，交流分量为，直流分量也如式（2）所示。不同的是在输出电压相同的情况下，通过倍压电路作用，其线包电压降为集成整流时一半。
副边绕组被分割成四个线包的变压器为例， 不同整流方式下副边每个线包的直流和交流电压分量的Matlab/simulink仿真结果如图3和图4所示。
图3 标准整流方式下的每个线包交流电压分量
图4 集成和二倍压整流下的线包电压分量
综上分析，不同的整流方式不影响输出侧直流电压，但会影响变压器每个线包的电场分布。由于绝缘材料中局部放电问题主要由交流电场引起的，通过改进交流电场可以在一定程度上降低绝缘要求。
4 大功率高频高压变压整流器设计
对于大功率高频高压变压器制造来说，必须首先考虑高压绝缘和副边绕组的寄生电容。如上所述，变压器副边绕组分割多个线包是可以减少交流电压分量，有利于绝缘设计。尤其在此基础之上采用二倍整流方式，变压器的绕线之间和层之间的绝缘距离可以增大一倍， 绝缘距离和变压器铁芯窗口面积之间的矛盾相当程度上解决；同时，绕组层数也可以减少一般，变压器副边绕组寄生电容也可以减少。基于此，我们采用二倍整流方式设计并制造了静电除尘用高频高压直流电源。
变压器设计
设计条件：输入最低直流电压为500V，频率为10kHz，输入功率为90kW，输出功率为80kW，输出电压为80kV，负载电流为1A。铁芯材料采用中心柱为8角，截面为46mm2的E形铁氧芯。
原边绕组采用厚0.5mm，宽120mm的铜箔。层间绝缘采用单层0.5mm DMD（电气强度≥4MV/m）。
充分考虑趋肤效应和临近效应，副边绕组采用导线直径为1.2mm、外径为1.7mm的AMD-250高温绝缘导线，该导线的标称耐压大于10kV。因此匝间绝缘采用导线本身的绝缘即可满足要求。
整流器设计
输出电容的选择
容量计算按照如下公式
（3）
Δt: 半个开关周期
ΔU: 输出电压的脉动量
I: 输出额定电流
考虑系统运行的稳定性，选ΔU =3%U，可以算出来为约0.015μF。整个电路由于8个线包的二倍整流器串联，所以每个线包的电容容量为0.12μF，而且电容的耐压考虑一定的富余量。 考虑以上因素我们每个线包采用12个2.2μF/2000V的电容串联，考虑到稳压因素，每个电容并有1MΩ的分压电阻。
（2）整流器的二极管
二极管的选择必须考虑整流器上的二极管能承受得反向电压和尖峰电流,考虑到开关电源一般工作在高频状态，所以本文选择快速恢复二极管。
二倍整流电路中，整流二极管所承受的最大反向电压为：
考慮到整流二极管因自身结电容和高频变压器漏感的影响， 二极管在通断时会产生尖峰电压，当考虑两倍电压裕量时，二极管的耐压值为：10000V×2=20000V。
综上分析，选用型号为BY359X的快恢复二极管模块。变压器次级每个线包采用28个二极管模块串联，整个全波整流电路共需要224个快恢复二极管模块。 BY359X的主要参数为： 反向电压VR≥1500V， 快恢复时间Trr≤35ns， 正向压降VF=1.0V， 反向漏电流IRRM=1mA。
图5 高压变压器和整流器
（3）变压器和整流器的安装
高压变压器和整流器结构如图5所示。变压器和整流器一起浸泡变压器油箱，解决了变压器副边的绕组之间绝缘以及整流器元件之间绝缘问题和散热问题。
5 实验结果
实际应用时，变压器浸在油中。试验中，变压器置于空气中，工作在低压轻载状态。
变换器为IGBT移相全桥软开关变换器，变换器的输入直流电压为50V，开关频率为10kHz。
占空比不同情况下的逆变器输出电流和和电压波形给出如图6-8。
图6 占空比为0.3时，电流和电压波形
图7 占空比为0.8时，电流和电压波形
图8. 占空比为0.95时，电流和电压波形
通过实验，显然，开关管开通时零电流导通。也就是说，利用变压器的本身漏感代替谐振变换器的外加电感，再也不需要外部电感。
6 结论
本文在大功率高频高压变压器的副变拥有多个线包基础之上，分析了不同整流方式产生的电场的直流和交流分量，研究发现采用线包和整流器一体化（集成整流）方式可以在一定程度上解决高压绝缘问题。采用集成或二倍整流方式时，每个副边绕组线包的交流电压分量大小都一样，为标准整流方式。
其次我们研究减小变压器副边绕组分布电容问题。研究发现采用二倍整流方式是静电除尘用高频高压电源的最合适的选择。基于此我们研制出静电除尘用大功率高频高压直流电源。
变压器结构上原边和副变之间构成油道，有助于绕组散热同时增加漏感，通过试验可知该漏感可以充当谐振电感角色。
参考文献
[1] E．A．Feilat，S．Grzybowski，P．Knight． Accelerated aging of high voltage encapsulated transformers for electronics applications[C]．in Proc．6th Int．Conf． Properties Appl．Dielectr．Mater．2000，：209–212．
[2] T．Filchev，F．Carastro，P．Wheeler，J．Clare． High voltage high frequency power transformer for pulsed power application[C]．Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC)，2010，： 165-170．
[3] T．Filchev，J．Clare，P．Wheeler， R．Richardson．Design of high voltage high frequency transformer for pulsed power applications[C]．Pulsed Power Conference， 2009，：1–4．
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[6] Jun Liu，Licheng Sheng，Jianjiang Shi，Zhongchao Zhang，Xiangning He．Design of High Voltage，High Power and High Frequency Transformer in LCC Resonant Converter[C]．Applied Power Electronics Conference and Exposition，APEC，2009，：1034-1038．
[7] 张周胜，肖登明，陈桂文．大功率，高压，高频变压器的串联优化设计[J]．高电压技术，2009，35（5）：1231-1236．
[8] Van der Broeck，H．Analysis of a current fed voltage multiplier bridge for high voltage applications[J]．PESC 02．IEEE 33rd ，2002，4，：1919-1924．
[9] S．Iqbal．A three-phase symmetrical multistage Voltage multiplier．Power Electronics Letters，IEEE 2005，3（1），：30–33．
[10] T．Filchev，D．Cook，P．Wheeler，A．Van den Bossche，J．Clare，V．Valchev．High power，high voltage，high frequency transformer/rectifier for HV industrial applications．Power Electronics and Motion Control Conference，EPE-PEMC 2008． 13th， 2008，：1326-1331．
作者介绍
林元哲
1969-，男，在读博士，从事电力电子技术在电力系统中应用；
石新春
1950-，男，博士生导师，从事电力电子技术在电力系统中应用
陈垠锟
1984-男，硕士研究生，从事电力电子技术在电力系统中应用
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。