平板高压变压器装置

摘要

一种平板变压器装置，包括初级线圈(4)、次级线圈(6)和核芯(8，10)，其中次级线圈(6)的线圈层(16，24)沿着和初级线圈(4)的平面大致平行的方向围绕在彼此之上。

权利要求

1.一种平板高压变压器装置，包括初级线圈(4)、次级线圈(6)、和核芯(8、10)，其特征在于，所述次级线圈由沿着相对于所述初级线圈的平行方向和垂直方向缠绕的各电绝缘导线来形成，其中，沿着所述垂直方向缠绕的次级线圈形成次级线圈层，并且次级线圈层与相邻的次级线圈层盘绕在彼此之上，沿所述垂直方向形成的所述次级线圈层的数量是每个次级线圈层的匝数的至少5倍。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述次级线圈层由绞合线来形成。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述核芯(8，1O)包括上半部核芯(8)和下半部核芯(10)。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述核芯(8，10)由铁磁材料所制成。

说明书

平板高压变压器装置

[0001] 本发明涉及一种平板高压变压器。更特别地，它涉及一种平板高压变压器，其中该变压器的次级线圈被设计为基本用于很大程度地克服或者减少已知的不希望有的电学特性，比如寄生电容、寄生电感、和所谓的趋肤效应(skin effect)和近场效应(proximity effect)。

[0002] 出于应用和安全的考虑，通常电能以相对低的电压提供给用户。当需要高达几个千瓦的高压电能时，通常在本地将所提供的电压转高为需要的电压。例如，在操作静电滤器(filter)时，从几百瓦到几十千瓦的电能通常会涉及超过10千伏的电压。

[0003] 根据现有技术，采用一种具有富含硅的层叠铁片的核芯的常规高压变压器来变高电压。这些高压变压器可适用于标准输电线频率，通常是50或者60赫兹(Hz)。

[0004] 这种高压变压器相对较大且笨重。主要原因是铁芯在达到饱和之前只能获取有限的磁通量。因此，铁芯的横截面对于一个高压变压器可以输送多大的能量而言是决定性的。如果采用相对较大的核芯，那么高压变压器的绕组就会更长进而更大。这导致了可观的电阻性功率损失。因此绕组线的直径必须要增加，这使得高压变压器的重量和尺寸都要进一步增加。

[0005] 在变压器核芯中的磁通量通过以下公式给出：

[0006]

[0007] 其中，B＝以特斯拉为单位的磁通量，＝以伏为单位的峰值驱动电压，f＝以Hz为2
单位的频率，Ae＝以m 为单位的变压器核芯的有效横截面积。

[0008] 从上式可以看出，变压器核芯中的磁通量和频率是成反比的。

[0009] 基于上述事实，具有铁芯的变压器已有所发展，通过工作于更高的频率，其与工作于主频率的高压变压器相比表现出改进的性能/效率。获得这一改进的性能/效率的原因是：当频率升高时，铁芯的尺寸被降低了。

[0010] 一种用于向变压器提供相对高的频率的方法包括一种所谓的SMPS(开关模式电源)技术。根据这一技术，所供电力被转化为到高压变压器的较佳的方波脉冲高频输入电压。

[0011] 现有设计的高压变压器由于其操作方式的原因在次级绕组中具有相对多的匝数。这种具有多层相对细的绕组线的绕组和那些绕组线的直径更大的变压器相比，绕组线所间隔的平均距离更小，因此次级电容更高。

[0012] 相对较大的次级线圈，大的变压器核芯以及必要的绝缘间隙，特别是围绕所述次级线圈的绝缘间隙，还会导致这种高压变压器具有相对高的耦合电感。原因在于初级和次级绕组之间的相对较大的距离会导致它们之间的磁耦合不佳。

[0013] 通过和次级电容一样的方式，这种无意识的且不可避免的寄生耦合电感会和次级电容一起影响变压器中的电流。由于电感可降低高频电流，它会降低在初级和次级绕组之间的电流。这种高压变压器因此表现出相对较窄的带宽，所谓带宽是指高压电容器可以操作的最高驱动频率。

[0014] SMPS是一种广为人知的用于在将电压转高至一千伏量级的转化过程中获取改进的效能的方法。更高的电压致使采用一些已知的技术来调整变压器成为必要，比如电压倍增(multiplication)，高压变压器串联，层叠绕组技术或者所谓的共振开关，从而弥补高压变压器的相对较窄的带宽。

[0015] 然而，这些技术的共同点在于，它们仅在有限地程度内克服了上述缺陷，而同时它们又使得整个高压变压器复杂化，从而增加了其成本。

[0016] 所谓的平板变压器作为一种低压变压器被应用于越来越多的领域。平板变压器通常包括至少一个印刷电路板，在其中绕组被蚀刻到电路板中的铜层，而且在其中，一个铁氧体(ferrite)核芯通常包围着所述绕组。由于使用了电路板的平板型绕组，这种铁氧体核芯相对地扁并且细长，因此被称之为平板核芯。

[0017] 平板变压器具有令人满意的特征，它易于制作，并且由于绕组相对紧密地放置在一起，所以寄生耦合电感小。平板绕组通常具有相对低的寄生电容。这使得平板变压器通常具有很好的带宽。

[0018] 高压平板变压器必须被设置成具有相对较多的次级绕组。如果所有这些次级绕组被设置于一个电路板上，绕组所需的面积会较大。产品技术条件限制了铁氧体芯的大小。因此，必须将次级绕组分成若干层，一个在另一个之上。这种方案的问题是会产生不可忽视的寄生次级电容，这使得把平板变压器作为高压变压器用于实际应用尚无可能。

[0019] 本发明的目标在于弥补或者减少现有技术的种种缺陷的至少其中之一。

[0020] 根据本发明，通过在下文中和权利要求中所说明的特征来实现这一目标。

[0021] 为了在通常高的SMPS驱动频率下使用平板变压器作为高压变压器，必须将寄生次级电容降低到相当可观的程度。

[0022] 由已知的电学理论可知，在串联的电容之间的总电容等于：

[0023] Cr＝1/(1/C1+1/C2+1/C3+...1/Cn)

[0024] 如果所有的电容相等，那么该公式被简化为：

[0025] Cr＝C1/N

[0026] 假如有例如40个导体被置于一个在另一个之上的5个层中，每一层中有8个导体，每层之间的总电容是1nF，在彼此相对向设置的每个导体之间有1/8nF的电容，总电容将是：

[0027] CT＝1/4nF

[0028] 然而，如果相同数量的电路板导体被分布于20层中，每层2个导体，那么每层之间的电容将是2*1/8＝1/4nF。

[0029] 总的电容将是：

[0030] CT＝1/4/19nF＝1/76nF

[0031] 或者说比四层例子的总电容的小19倍。此处尚未考虑到两个例子中的导体可能是不同长度的。

[0032] 在高度方向上一个在另一个之上的多个电路板由于缺乏空间可能难以被用于平板变压器中。

[0033] 可以从次级线圈着手来解决平板变压器在几何形状上的问题，该方法将相对多的层绕成窄的线圈，每层具有较少的匝数，该窄的线圈被置于平板变压器中和平板变压器的主绕组平行的平面中。层数和每层的绕组数的相对数量至少为1，优选在5以上。

[0034] 不过，一种公认的计算所谓的趋肤效应和近场效应的方法(请参考P.L.Powel的“变压器绕组中的漩涡电流效应(Effects of eddy currents in transformerwindings)”一文，发表于PROC.IEE，1966年8月第8期第113卷)表明：层的数量会显著影响所谓的阻抗因数，该阻抗因数表示在高驱动频率下绕组阻抗的非期望性的增加。该阻抗因数受到层数的影响并呈平方关系地增加。

[0035] 在本发明的测试阶段，令人惊奇地发现，当使用了前述的这种次级线圈时，这一理论就不再适用了，而且尽管有很多层，但是这种建议的次级线圈设计在趋肤效应和近场效应方面表现出令人满意的数值，因此阻抗因数相对地低。

[0036] 在一个优选实施例中，次级绕组形成为一个含导线和中间绝缘材料的相对窄的卷，该卷被置于和平板变压器的初级绕组平行的面中。这种结构至少和每层具有较少匝数的窄的卧式(lying)线圈一样表现出寄生次级电容的减少。

[0037] 初级线圈可以被形成为，例如，至少一个电路板绕组，一个所谓的绞合线(Litz conductor)绕组，或者常规的漆包线，也可以是它们的组合。绞合线通常具有许多单独绝缘的导线。

[0038] 借助于根据本发明的这种装置，高压变压器中不利的电学现象被克服或者大大降低，因此高压变压器可以被做成相比于现有技术具有显著改善的带宽。这种变压器因而非常适用于所谓的HV-SMPS(高压开关模式电源)操作。

[0039] 如前所述，在平板变压器中，普遍使用了铁氧体芯。然而，如果需要的话，也可以使用由薄片(sheet)金属或者箔(foil)所构成的，以及用铁磁材料制造的核芯。薄片金属核芯通常形成为“E”形，而由于生产技术的原因，箔核芯可能由两个C形部分组成。

[0040] 如果有需要，比如，想获得相对高的耦合电感，那么初级和次级线圈可以在核芯中间隔开相对较宽的距离。

[0041] 下文将描述的是优选实施例的非限定性的例子，其被显示在附图中，其中：

[0042] 图1示出平板变压器的平面图，其中部分示为截面；

[0043] 图2示出图1的I-I截面；

[0044] 图3示出图2的截面图的放大图；而

[0045] 图4则示出一个备选实施例。

[0046] 在附图中，附图标记1表示一个具有电路板2的高压平板变压器，电路板2中包括初级线圈4、次级线圈6、上半部核芯8和下半部核芯10。

[0047] 两个E形的核芯半部8和10围绕着电路板2以及线圈4和6，电路板2设置有一个中央的开口12。

[0048] 电路板2还设置有两个用于初级线圈4的电源连接点14。次级线圈6具有两个连接点，但图中未示出。

[0049] 次级线圈6由导体16以盘绕的金属箔的形式形成，金属箔以铜箔为佳，绝缘箔18将导体箔16的每一层和邻近的导体箔层16绝缘开。通过绝缘材料20，次级线圈6还和初级线圈4以及核芯半部8、10绝缘。

[0050] 导体箔16的每一层形成次级线圈6的一个线圈层。

[0051] 优选地，次级线圈6的高度，也就是铜箔16的宽度，基本上小于次级线圈6在绕组方向上的宽度的五分之一。

[0052] 次级线圈6被放置为使得其绕组的方向大致平行于初级线圈4的平面。

[0053] 如说明书的概要部分所提到的，采用相对多的导体层16可使次级电容相对较小，然而平板变压器的紧凑构造特征导致了高压变压器1的耦合电感的大量减少。因此，可以得到高带宽，并且有可能使用相对高的SMPS驱动频率。

[0054] 在一个备选实施例中，如图4所示，次级线圈6由漆包绝缘导体/导线22所形成，可能采用的是绞合线绕组。在图4中，导线22绕在线圈层24中，每层有四匝导线22，线圈层24的层数相对较大。为便于说明，最远处的线圈层24用与其它线圈层24不同方向的斜线加以标记。线圈层24盘绕在彼此之上，并且处于大致上和初级线圈4的平面相同的方向。

[0055] 线圈层24的数量和每个层24中导体22的数量的比率应该大于5以使得近场效应不会过于明显。

[0056] 该备选实施例的次级电容的情况不像图3中的实施例那么好，但是足以满足应用的要求。