[发明专利]一种全固态轻型100kV级脉冲变压器及其制作方法

说明书

本发明提供了一种全固态轻型100kV级脉冲变压器及其制作方法，属于脉冲变压器技术领域，包括变压器外筒、变压器内筒、高压输出端挡板、高压输出端、次级线圈、初级线圈输入端、初级线圈Ⅰ、初级线圈Ⅱ、初级共地端和低压端挡板。次级线圈绕制在变压器内筒上。变压器外筒套设在绕制有次级线圈的变压器内筒外侧，所述初级线圈Ⅰ和初级线圈Ⅱ绕制在变压器外筒外侧，初级线圈Ⅰ和初级线圈Ⅱ的起始端分别通过螺栓引出通过铜条相连形成初级线圈输入端。本发明不需要变压器油绝缘，无磁芯，整个变压器实现紧凑、全固态、重量轻。相比于油绝缘变压器，该变压器具有更好的环境适应性，比如高、低温下性能。

技术领域

本发明涉及脉冲变压器技术领域，特别地，涉及一种全固态轻型100kV级脉冲变压器及其制作方法。

背景技术

变压器是以法拉第电磁感应定律为基础，能够将一个电路中的电能通过磁场传输到另一个电路中的电磁装置。脉冲变压器是变压器的一种特殊类型，它所变换的不是持续的电压，而是脉冲电压。近年来随着脉冲功率装置在医疗、食品杀菌、高功率微波、高能激光器等领域的广泛应用，脉冲变压器作为脉冲功率装置的主要升压模块而得到广泛研究，它是实现高电压输出的重要装置，对其也提出了越来越高的要求，如在民用领域要求提高变压器的能量效率、降低使用成本；在军事领域中，研究应用于无人机、飞机或导弹等飞行平台的脉冲功率装置，要求变压器具有体积小、重量轻、环境适应性强、效率高等优点。

现有的高电压脉冲变压器为提高耦合系数及能量效率通常采用闭合磁芯或开路磁芯设计【张瑜，刘金亮，程新兵等，高电压闭合磁环小型脉冲变压，强激光与粒子束，2010,22(12):3047-3051；张自成，杨汉武，张建德等，紧凑重频Tesla变压器型调制器的实验研究，强激光与粒子束，2008,20(8):1392-1396.】，由于磁芯的使用，相比于无磁芯变压器，其设计难度、成本、体积、重量也大为增加。此外上述提及的脉冲变压器，其负载为脉冲形成线，形成线等效电容仅为零点几～几个纳法，其充电能量仅为几个焦耳～几百焦耳，因此变压器的充电的时间很短，通常小于10微秒。然而在很多应用中，脉冲变压器充电的负载等效电容为微法量级，如Marx发生器型负载、脉冲形成网络型负载等，此时变压器的充电周期达到了数十甚至上百微秒，传输能量达到也达到数十kJ。这种情况下，需增大磁芯的重量，这是因为考虑到变压器磁芯磁饱和问题，磁芯工作点不宜靠近磁饱和感应强度Bs处，磁芯有效截面积Se需满足

其中Smin为磁芯最小有效截面积，ΔB_max为磁芯磁感应强度的最大变化量，稍小于磁性材料的饱和磁感应强度B_S，U₀为变压器初级电容上充电电压，t_z为达到最大充电电压时的充电时间。

从公式可知，充电时间的增加将导致变压器磁芯截面积增加，因此该种情况下的脉冲变压器仅磁芯的重量就大于变压器其它部分重量之和；此外由于引入磁芯，同时为防止初、次级线圈间高压击穿，该类变压器内部通常用变压器油绝缘，为保证变压器油密封还需考虑密封圈及相应的压紧螺杆设计，这些因素都使得变压器的重量显著增加。按照传统的变压器设计方法，100kV级脉冲变压器，设计完成后其重量在50kg左右，无法适应紧凑、轻型100kV级变压器要求的应用场景。

基于上述分析，有必要开展100kV级全固态轻型高压脉冲变压器的设计，以满足新形势下的军事及民用领域的需求。

发明内容

为了解决上述问题的不足，本发明目的在于提供一种全固态轻型100kV级脉冲变压器及其制作方法，该变压器无需外加磁芯，整个变压器采用绝缘胶灌封，无变压器油类高压绝缘液体，无需多余螺杆、密封挡板，重量仅为10kg左右，其研究可促进该类脉冲变压器在民用和军事领域的应用。主要用于高功率脉冲调制器、高功率微波源、食品杀菌、医疗和环保等技术领域。