[发明专利]具有高电压隔离的变压器

说明书

技术领域

本发明涉及具有高电压隔离的变压器。

背景技术

在电气变压器中，由于两个电路之间的电压差，难以将非常低电压的原方电路与非常高电压的副方电路绝缘。某些高电压隔离变压器的另一个问题在于以可能干扰敏感电子部件的幅度和频率产生显著的电磁波。例如，某些手持x射线荧光(XRF)光谱仪要求高电压隔离变压器对于x射线管的热离子阴极以大的负DC电位提供小AC信号。来自这些变压器的电磁波能干扰由XRF光谱仪中的X射线检测器接收的x射线信号。

变压器的最优运行典型地在变压器的谐振频率处。在使用具有环形芯的变压器的XRF分析器中，在芯的谐振频率处发射的电磁波可显著干扰x射线检测器的运行。另外，环形变压器的形状可导致高的电磁干扰水平(EMI)。屏蔽与电路设计常常用于减轻检测器的电磁干扰，但用电路设计和屏蔽消除这种干扰是困难的，特别是在相对较小的手持式XRF光谱仪中可用的小空间中。

用铁磁性材料制造的环形芯可用在高电压隔离变压器中。例如，在手持式XRF光谱仪中，变压器的原方绕组具有相对较低的电压，典型地在10伏rms AC左右。副方绕组承载由原方绕组上的AC信号感应的交流电流。相比于原方绕组，副方绕组也具有非常大的偏置电压，在负50000伏左右。这种偏置电压主要由高电压电源产生，该电源用于将偏置电压施加到副方绕组。很难有效地对具有这样大的电压差的电路进行绝缘。

具有环形芯的高电压隔离变压器可具有严格的设计和制造要求。为了将原方与副方绕组的两个远远无法相比的电压隔离，厚的绝缘典型地被施加到变压器芯、导线或导线与芯二者。使用能保持其完整性并免于破裂的绝缘，以便避免原方与副方绕组之间的电流泄漏。如果绝缘主体在芯上，绝缘可由于芯的发热和冷却导致的热膨胀而破裂。在这些温度波动过程中，绝缘破裂的一个原因是芯的热膨胀系数(CTE)与绝缘的CTE相比的不匹配。产生这种匹配可能是困难的设计挑战。施加不会破裂的绝缘常常是困难的制造挑战。较厚的绝缘在没有绝缘缺陷的情况下可能比较薄的绝缘更难制造。

发明内容

公开了具有高电压隔离的变压器电路。变压器电路包含第一电路，其被配置为以低电压等级承载交流信号。第一电路通过巴伦芯(balun core)上的至少两个通孔形成圈，从而作为变压器电路的原方绕组。输出电路通过巴伦芯上的至少两个通孔形成圈，从而作为变压器电路的副方绕组。输出电路被电气耦合到高电压直流信号源，以便以第一电路与输出电路之间的高电压隔离等级向交流信号提供直流偏置。多于一个的巴伦芯可串联使用，以便允许电压的更为逐渐的增大。

因此已经相当宽泛地概述了本发明的多个特征，使得下面对其进行的详细介绍可更好地理解，并使对现有技术的贡献能更好地理解。本发明的其他特征将通过参照附图阅读下面对本发明的详细介绍明了或通过对本发明的实践获知。

附图说明

图1示出了高电压隔离变压器，其中，变压器被分为两个芯；

图2为用在变压器中的巴伦芯；

图3示出了高电压隔离变压器，其中，变压器被分为至少三个芯；

图4示出了具有一个巴伦芯的高电压隔离变压器；

图5示出了高电压隔离变压器的中间电路上的高电压连接点；

图6示出了被连接到变压器被分为两个芯的高电压隔离变压器的Cockcroft-Walton倍增器电路。

具体实施方式

定义：

巴伦变压器芯、巴伦芯或巴伦在本申请中定义为具有至少两个通孔的变压器芯，如图2所示的一个示例性实施例中所示出的那样，一般地用200表示。巴伦具有顶面202、底面204、侧面203。通常，顶面与底面的形状是圆形或椭圆形的，但它们也可以是正方形、三角形、矩形或其他形状。如图2所示，这些面的圆形或椭圆形状的好处在于其允许光滑的侧面203和较少的边，在边上，其他部件和绝缘可能被切割，或者可能发生电晕应力。图2所示的巴伦包含两个通孔201，其从顶面202通过巴伦延伸到底面204。巴伦可包含多于两个的通孔。巴伦的长度L通常长于通孔直径D，以便使得电气耦合经过通孔到芯的导线的更大的距离成为可能。通常，长度L至少为通孔直径D的两倍。巴伦芯可以以“宽带多孔巴伦芯”的名称寻找和购买。

在本申请中使用的AC与DC具有其交流与直流的一般含义。EMI为电磁干扰的缩写，并具有对电子电路正常运行的电磁干扰的其通常定义。