大功率高压高频变压器的制作方法

[0001]
本发明涉及变压器技术领域，具体涉及一种大功率高压高频变压器。


背景技术：

[0002]
随着新能源技术的进步，各种电力电子能源变换装置不断涌现。在电力电子能源变换装置中，高压高频变压器是必不可缺少的重要部件。
[0003]
然而，相关技术中，大功率高压高频变压器存在如下技术问题：
[0004]
1、尺寸体积较大，沿袭传统变压器的磁芯线圈结构，导致长宽高三个尺寸大致在同一个数量级。
[0005]
2、大功率高压高频变压器长宽高三个尺寸都较大时，变压器内部的热量向外传导路径的热阻较大，导致内部温升过高。为了得到合理的温升，要么增大磁芯和线圈的材料耗用量换取较低的损耗，导致成本增加；要么增加额外的冷却装置，增加了系统的复杂程度，降低了运行可靠性，也必然会增加成本。
[0006]
3、当应用于10kv-35kv隔离电压时，绝缘厚度和爬电距离是决定变压器形体尺寸的主要因素，这时变压器的磁路、绕组、引线端子、接地的紧固件等在各个方向上都要增大绝缘和爬电距离，导致高压高频变压器高压应用时的体积显著增加。同时，由传统变压器磁路线圈结构所决定，内部高低压部位形状较复杂、电压较高，容易形成强局部电场而导致放电。因此，相关技术中的高压高频变压器耐压和局部放电量极难控制，特别是局部放电指标是影响高压隔离高频变压器功率密度的关键因素。为了解决这些问题，通常是额外增加绝缘厚度和爬电距离，致使变压器体积大、材料消耗多、损耗增大、不利于散热致使温升过高；
[0007]
4、原副绕组和磁芯相互包绕在一起，隔离等级不高。


技术实现要素：

[0008]
本发明为解决上述技术问题，提供了一种大功率高压高频变压器，使变压器呈现超薄的扁平形状，从而可以减小热阻、保证耐压和爬电距离、节省绝缘材料，使变压器重量显著降低，节约成本，且由于扁平形状，两侧屏蔽罩距离较近且平面较大，内部电场均匀度较好，可以实现无局部放电，且原边绕组和副边绕组中间设置绝缘板，可以把变压器的原副边完全隔离开来，实现高电压隔离。
[0009]
本发明采用的技术方案如下：
[0010]
一种大功率高压高频变压器，包括：绝缘隔板；分别设置在所述绝缘隔板两侧的原边绕组和副边绕组，所述原边绕组和所述副边绕组按照平面螺旋盘绕形成一个线饼，线饼中心具有内孔；设置在所述原边绕组内孔中的原边磁芯和设置在所述副边绕组的内孔中的副边磁芯；原边屏蔽罩和副边屏蔽罩，所述原边磁芯固定于所述原边屏蔽罩中，所述副边磁芯固定于所述副边屏蔽罩中，所述原边屏蔽罩和所述副边屏蔽罩使整个所述大功率高压高频变压器呈扁平形状。
[0011]
根据本发明的大功率高压高频变压器，原边绕组和副边绕组分别设置在绝缘隔板
两侧，原边绕组和副边绕组按照平面螺旋盘绕形成一个线饼，线饼中心具有内孔，原边磁芯设置在原边绕组内孔中，副边磁芯设置在副边绕组的内孔中，原边磁芯固定于原边屏蔽罩中，副边磁芯固定于副边屏蔽罩中，原边屏蔽罩和副边屏蔽罩使整个大功率高压高频变压器呈扁平形状。由此，利用特殊形状的绕组使变压器呈现超薄的扁平形状，内部热量向外传导方向的厚度较小，而散热面积较大，从而可以减小热阻，通过改变绝缘隔板的厚度即可保证耐压和爬电距离，减少了用于绝缘的各个方向上的空间，极大地节省了绝缘材料，使变压器整体重量显著降低，提高了功率密度，也节约了成本，且由于扁平形状，两侧屏蔽罩距离较近且平面较大，内部电场均匀度较好，能降低内部电场畸变，降低起晕电压，有效抑制局部放电的发生，可以实现无局部放电，且原边绕组和副边绕组中间设置绝缘板，可以把变压器的原副边完全隔离开来，实现高电压隔离。
[0012]
本发明上述提出的大功率高压高频变压器还可以具有如下附件技术特征：
[0013]
具体的，所述原边磁芯和所述副边磁芯的材质、形状尺寸完全相同，其中，所述原边磁芯和所述副边磁芯包括：芯柱、多条磁轭、极靴，所述芯柱和所述多条磁轭构成一个圆环形凹槽以放置所述原边绕组或所述副边绕组，所述芯柱和所述极靴相向对齐构成磁路，所述多条磁轭之间呈现镂空状态。
[0014]
具体的，所述芯柱由一个圆柱体和正多边形柱体连接而成，所述圆柱体设置在所述内孔中。
[0015]
进一步的，所述芯柱的正多边形柱体向外连接所述多条磁轭，所述多条磁轭沿径向辐射排列并且等分整个圆周，磁轭的端部连接极靴。
[0016]
具体的，所述原边屏蔽罩和所述副边屏蔽罩包括灌封孔、灌封工艺孔和引线孔，所述灌封孔用于在所述大功率高压高频变压器使用灌封模具灌封时，对所述灌封模具内腔真空灌注导热绝缘灌封胶；所述灌封工艺孔用于在灌封结束后进行排气和排除多余胶体；所述引线孔用于将所述原边绕组和所述副边绕组的引线引出。
[0017]
具体的，所述绝缘隔板包括：伞裙，所述伞裙设置在所述绝缘隔板露出所述原边屏蔽罩和所述副边屏蔽罩的部分。
[0018]
本发明的有益效果：
[0019]
本发明使变压器呈现超薄的扁平形状，内部热量向外传导方向的厚度较小，而散热面积较大，从而可以减小热阻，通过改变绝缘隔板的厚度即可保证耐压和爬电距离，减少了用于绝缘的各个方向上的空间，极大地节省了绝缘材料，使变压器整体重量显著降低，提高了功率密度，也节约了成本，且由于扁平形状，两侧屏蔽罩距离较近且平面较大，内部电场均匀度较好，能降低内部电场畸变，降低起晕电压，有效抑制局部放电的发生，可以实现无局部放电，且原边绕组和副边绕组中间设置绝缘板，可以把变压器的原副边完全隔离开来，实现高电压隔离。
附图说明
[0020]
图1是本发明一个实施例的大功率高压高频变压器的侧视剖面图；
[0021]
图2是本发明一个实施例的原边绕组和副边绕组的绕线示意图；
[0022]
图3是本发明另一个实施例的大功率高压高频变压器的侧视剖面图；
[0023]
图4是本发明一个实施例的绝缘隔板的示意图；
[0024]
图5是本发明一个实施例的2支路磁芯结构示意图；
[0025]
图6是本发明一个实施例的4支路磁芯结构示意图；
[0026]
图7是本发明一个实施例的6支路磁芯结构示意图；
[0027]
图8是本发明一个实施例的8支路磁芯结构示意图；
[0028]
图9是本发明一个实施例的正四边芯柱的结构示意图；
[0029]
图10是本发明一个实施例的正六边形芯柱的结构示意图；
[0030]
图11是本发明一个实施例的原边屏蔽罩和副边屏蔽罩的结构示意图。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]
图1是本发明一个实施例的大功率高压高频变压器的侧视剖面图。如图1所示，该大功率高压高频变压器包括：绝缘隔板1、原边绕组2、副边绕组3、原边磁芯4、副边磁芯5、原边屏蔽罩6、副边屏蔽罩7。
[0033]
其中，原边绕组2和副边绕组3分别设置在绝缘隔板1两侧，如图2所示，原边绕组2和副边绕组3按照平面螺旋盘绕形成一个线饼，线饼中心具有内孔。原边磁芯4设置在原边绕组2内孔中的，副边磁芯5设置在副边绕组3的内孔21中；原边磁芯4固定于原边屏蔽罩6中，副边磁芯5固定于副边屏蔽罩7中，原边屏蔽罩6和副边屏蔽罩7使整个大功率高压高频变压器呈扁平形状。
[0034]
具体的，如图1所示，耐受温度大于变压器最高工作温度的绝缘材料都可以用于制作绝缘隔板1，如：酚醛树脂、环氧树脂、电气陶瓷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚砜、等等。绝缘隔板1应该是一整块质密均匀、内部无空洞气泡、表面无裂痕和孔洞的材料。绝缘隔板1的作用是承受原副边之间的高隔离电压，是原副边之间的主绝缘，可实现原边绕组和副边绕组之间42kv-75kv的高压隔离。当绝缘隔板1的材质和制造工艺确定后，其中心平板区域的厚度是原副边之间隔离耐受电压的主要决定因素。绝缘隔板1的另一个作用是：在满足耐压要求的前提下，改变绝缘隔板1中间平板区域的厚度，可以调整变压器的励磁电感量和漏电感量。绝缘隔板1的这一作用，使得本发明提出的变压器除了可以利用磁芯和线圈参数调整感量大小之外，还具有用绝缘隔板厚度调整感量的可能。绝缘隔板1厚度对感量的调整作用与磁芯线圈有关参数对感量的调整作用结合起来，可以具备更加灵活的感量调整方法，有效地增大了感量的调整范围。在多种类型的电力电子变换拓扑中，都需要隔离变压器的漏感和励磁电感参入能量变换的控制过程，当变压器的漏电感量或励磁电感量不能满足拓扑变换要求时，就需要外加电感。本发明提出的变压器，感量调整范围很大，对于绝大多数应用不需要外置电感，能在很大的应用范围较好地实现变压器的磁集成。
[0035]
在本发明中，原边绕组2和副边绕组3使用利兹线绕制，利兹线的截面形状可以是圆形，也可以是正方形或长方形。调整利兹线截面的边长，可以调整绕组的厚度和外轮廓尺寸。原副边绕组都按照平面螺旋盘绕形成一个线饼，如图2所示，线饼中心有一个不绕线的区域，称为线饼内孔21，用于放置磁芯。线饼可以单层绕制，也可以双层或多层绕制。原边绕
组2和副边绕组3的所有几何尺寸可以相同，也可以不同。
[0036]
原边屏蔽罩6和副边屏蔽罩7的作用是对变压器进行电磁屏蔽，降低变压器的磁场泄露，使得变压器内部的电场趋于均匀，有效抑制局部放电的发生。原边屏蔽罩6和副边屏蔽罩7的特征是：导电、导磁、导热性能均比较好，并且是薄板材料。
[0037]
本发明的大功率高压高频变压器，利用特殊形状的绕组使变压器呈现超薄的扁平形状，内部热量向外传导方向的厚度较小，而散热面积较大，从而可以减小热阻，通过改变绝缘隔板的厚度即可保证耐压和爬电距离，减少了用于绝缘的各个方向上的空间，极大地节省了绝缘材料，使变压器整体重量显著降低，提高了功率密度，也节约了成本，且由于扁平形状，两侧屏蔽罩距离较近且平面较大，内部电场均匀度较好，能降低内部电场畸变，降低起晕电压，有效抑制局部放电的发生，可以实现无局部放电。
[0038]
根据本发明的一个实施例，如图3所示，绝缘隔板1可以包括：伞裙11，伞裙11设置在绝缘隔板1露出原边屏蔽罩6和副边屏蔽罩7的部分。
[0039]
具体的，绝缘隔板1四周有伞裙11时，需要用模具一次压制获得，四周没有伞裙时，可以用模具压制，也可以用挤出型材经切割获得。比原副边屏蔽罩富裕的尺寸或伞裙的作用是增加原副边之间的表面爬电距离，满足相应电压等级对表面闪络的要求。其中，绝缘隔板1可参照图4所示。
[0040]
根据本发明的一个实施例，原边磁芯4和副边磁芯5的材质、形状尺寸完全相同，其中，如图5-8所示，原边磁芯4和副边磁芯5包括：芯柱31、多条磁轭32、极靴33，芯柱31和多条磁轭32构成一个圆环形凹槽以放置原边绕组2或副边绕组3，芯柱31和极靴33相向对齐构成磁路，多条磁轭32之间呈现镂空状态，利于内部绕组散热。其中，图5-8中，左侧为磁芯的剖面图，右侧为剖面图的侧视图。
[0041]
进一步地，如图5-10所示，芯柱31由一个圆柱体和正多边形柱体连接而成，圆柱体设置在内孔中。
[0042]
芯柱31的正多边形柱体向外连接多条磁轭32，多条磁轭32沿径向辐射排列并且等分整个圆周，磁轭32的端部连接极靴33。
[0043]
具体的，磁芯的材质可以是任何牌号的锰锌铁氧体软磁材料，可以是其他种类的软瓷材料，如非晶，纳米晶，金属粉芯等。磁芯的形状可以参照图5-8所示，也可为其它形式，但共同特征是：磁芯的芯柱31(图中虚线包围的区域)，由一个薄形的圆柱体和薄形的一个正多边形柱体连接而成，具体如如图9-10所示。芯柱31的正多边形柱体向外连接多条磁轭32，多条磁轭32沿径向辐射排列并且等分整个圆周，磁轭32的端部连接极靴33；原边磁芯和副边磁芯的芯柱和全部极靴相向对齐构成磁路(中间间隔绝缘隔板)；磁轭之间呈现镂空状态，利于内部绕组散热。这些形状的磁芯可以是整体的，也可以是拼接组合而成的。磁轭的个数不仅局限于图中的2、4、6、8双数条，可以是大于1的任何整数，包括单数条磁轭，如3、5、7等。
[0044]
根据本发明的一个实施例，如图11所示，原边屏蔽罩6和副边屏蔽罩7包括灌封孔61、灌封工艺孔62和引线孔63，灌封孔61用于在大功率高压高频变压器使用灌封模具灌封时，对灌封模具内腔真空灌注导热绝缘灌封胶；灌封工艺孔62用于在灌封结束后进行排气和排除多余胶体；引线孔63用于将原边绕组和副边绕组的引线引出。
[0045]
具体的，如图3所示，大功率高压高频变压器还包括：原边导热灌封胶8、副边导热
灌封胶9，在大功率高压高频变压器的生成工艺中，屏蔽罩和磁芯之间的合理间隙：在保证灌封胶充分流动充满所有空隙的前提下，尽量取小的间隙。灌封孔61、灌封工艺孔62和引线孔63的设置可以为图11所示的位置，也可不为图11中所示的位置，可达到相应的需求即可。
[0046]
使用灌封模具，将原边屏蔽罩6固定在灌封模具中，原边磁芯4固定在原边屏蔽罩6中，原边绕组2固定于原边磁芯4中，并将引线从屏蔽罩引线孔63引出并封堵缝隙。使用灌封模具，将副边屏蔽罩7固定在灌封模具中，副边磁芯5固定在副边屏蔽罩7中，副边绕组3固定于副边磁芯5中，并将引线从屏蔽罩引线孔63引出并封堵缝隙。
[0047]
在两侧模具中间放置绝缘隔板1，同时使用灌封模具保证原副边磁芯的所有极靴相向对齐，磁芯的芯柱也相向对齐，然后扣合模具。两侧模具扣合后，通过灌封孔61对模具内腔真空灌注导热绝缘灌封胶。导热灌封胶固化后，拆除模具，变压器各部分形成一个整体。
[0048]
由上，本发明提出的平板型高压隔离高频变压器的厚度很薄，整个大平面都是良好的散热面。大功率电力电子的功率板连同散热器整体通常呈长方形形状，并且往往有一面是通风风道，理想的整体结构是风道前后不被阻挡。这样平板型变压器和平板型的功率电路板很容易组合成功率密度较高的单元装置，并且，平板型变压器的散热平面和功率板的散热面可以靠在一起，形成一个风道，所以，平板型的变压器非常利于大功率电力电子装置整体结构设计，既可以提高功率密度，又也可形成合理的散热风道。
[0049]
本发明提出的大功率高压高频变压器，由于平板结构的特点，内部热量向外传导的厚度方向较小，而散热面积较大，具有很小的热阻。因此，该变压器不需要依靠多耗用材料来降低温升，也不需要额外附加独立的散热装置。或者说，当系统通风能力和温升要求给定时，本发明提出的变压器可以用较少的材料达到传统变压器相同的温升要求。这就意味着，本发明提出的变压器可以节省材料，减少损耗，提高效率，降低成本。
[0050]
本发明提出的大功率高压高频变压器，扁平的绝缘结构使高压侧和低压侧分别位于绝缘隔板的两侧，所有的高压绝缘问题只用绝缘隔板的厚度来保证耐压和爬电，减少了传统变压器结构用于绝缘的各个方向上的空间，也极大地节省了绝缘材料，使变压器整体重量显著降低，提高了功率密度，也节约了成本。
[0051]
本发明提出的大功率高压高频变压器，除了可以利用磁芯和线圈参数调整感量大小之外，还具有用隔板厚度调整感量的可能。绝缘隔板厚度对感量的调整作用与磁芯线圈有关参数对感量的调整作用结合起来，可以具备更加灵活的感量调整方法，有效地增大了感量的调整范围。在多种类型的电力电子变换拓扑中，都需要隔离变压器的漏感和励磁电感参入能量变换的控制过程，当变压器的漏电感量或励磁电感量不能满足拓扑变换要求时，就需要外加电感。本发明提出的变压器，感量调整范围很大，对于绝大多数应用不需要外置电感，能在很大的应用范围较好地实现变压器的磁集成。
[0052]
本发明提出的大功率高压高频变压器，由于其形状扁平，两侧屏蔽罩距离较近且平面较大，内部电场均匀度较好，能降低内部电场畸变，降低起晕电压，有效抑制局部放电的发生，可以实现无局部放电。
[0053]
综上所述，根据本发明的大功率高压高频变压器，原边绕组和副边绕组分别设置在绝缘隔板两侧，原边绕组和副边绕组按照平面螺旋盘绕形成一个线饼，线饼中心具有内孔，原边磁芯设置在原边绕组内孔中，副边磁芯设置在副边绕组的内孔中，原边磁芯固定于
原边屏蔽罩中，副边磁芯固定于副边屏蔽罩中，原边屏蔽罩和副边屏蔽罩使整个大功率高压高频变压器呈扁平形状。由此，利用特殊形状的绕组使变压器呈现超薄的扁平形状，内部热量向外传导方向的厚度较小，而散热面积较大，从而可以减小热阻，通过改变绝缘隔板的厚度即可保证耐压和爬电距离，减少了用于绝缘的各个方向上的空间，极大地节省了绝缘材料，使变压器整体重量显著降低，提高了功率密度，也节约了成本，且由于扁平形状，两侧屏蔽罩距离较近且平面较大，内部电场均匀度较好，能降低内部电场畸变，降低起晕电压，有效抑制局部放电的发生，可以实现无局部放电，且原边绕组和副边绕组中间设置绝缘板，可以把变压器的原副边完全隔离开来，实现高电压隔离。
[0054]
在本发明的描述中，需要理解的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0055]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0056]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。