4-11 高压脉冲变压器的设计与分析

李东杰 何承基

　　高压脉冲变压器同其它脉冲变压器一样，也属于宽频带变压器，但其具有绝缘距离大、变比较高、工作环境比较恶劣等特点。目前，高压脉冲变压器的设计与分析方法基本上可以分为两种，一是将脉冲变压器按分布参数方式处理，另一种是将脉冲变压器按集中参数处理。采用后一种方法对单端高压变换器中所使用的高压脉冲变压器进行设计与分析。

　　高压脉冲变压器中常用的磁芯材料主要有铁氧体、非晶态及微晶铁芯材料，均具有磁导率高、饱和磁感应强度大等优点，铁氧体磁性材料虽没有很高的饱和磁感应强度（其饱和磁感应强度一般在0.3~0.5T），但其在高频工作时有较低的磁滞损耗，且具有易磁化、易退磁、易装配、绕组间的耦合特性较好等特点。因此，高压脉冲变压器磁芯材料选择的是铁氧体磁性材料

　　铁氧体磁芯有多种形状和尺寸以适应不同功率等级和应用场合的要求。目前，常用的磁芯结构有EE、EI、EC、PQ（又称为罐形磁芯）、RM等类型，其中PQ有封闭的磁路，为自身屏蔽结构，这样设计出的变压器漏感较小，可以减小系统的电磁干扰，适用于对电磁干扰要求较高的系统，但变压器的生产、装配及变压器在产品中的装配等比较复杂。而EE型磁芯生产、装配比较容易，用其设计的变压器输出功率也较高，主要讨论采用EE型结构的变压器设计。

　　于高压脉冲变压器的工作电压是一个矩形波，因此，初级匝数N₁可用变压器输入电压U_in、开关管的导通时间t_on、磁芯的工作有效面积A、磁感应强度的变化量DB=B_m-B_r(B_m为饱和磁感应强度，B_r为剩余磁感应强度表示)，即关系式N₁=U_it_on/(DBA)。

　　设高压变换器要求的输出高压为U_out ，对于半波整流、电容滤波电路来说，输出直流高压电压不会超过交流输入电压有效值的1.4倍，也不会小于1.1倍，其倍数k可以根据具体负载情况而定，则高压变压器的次级输出电压有效值U₂ =U_out/k

　　由变压器的工作原理可知，高压变压器初级绕组的每匝电压数应等于次级绕组的每匝电压数。因此，高压变压器次级绕组的匝数为N₂=U₂×N₁/U_i 。

　　带气隙的磁芯在一个更大的磁场强度H值下才会产生磁饱和，因此变压器允许较大的直流电流通过，即气隙的存在可以减小磁芯里直流成分的影响。高压脉冲变压器的磁芯气隙的大小l_g=m_r×N₁^2×A/L₁，m_r=4p´10^-7；N₁为高压变压器初级绕组的匝数；L₁为高压变压器初级绕组的电感；A为磁芯的有效面积。

　　利用上述方法设计的高压脉冲能够将25~32V的直流电压升到4kV以上，整流后给高压电容器充电的效率为5J/s，满足了使用要求。