專(zhuān)利名稱(chēng)：超大功率直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種直流變換器。
直流變換器是交流不間斷電源，直流不間斷電源，二次操作電源，通訊專(zhuān)用開(kāi)關(guān)電源和其他各種開(kāi)關(guān)電源的主要組成部份，它的容量直接決定了上述各種電源的輸出功率。盡管直流變換器都采用具有最大輸出功率的橋式電路，但由于電子器件輸出功率的限制，變壓器磁芯和繞組的發(fā)熱，直流變換器的容量只能局限在一定的范圍內(nèi)。隨著科學(xué)拔術(shù)的日新月異，信息領(lǐng)域?qū)﹄娫吹母哳l化，小型化提出了更高的要求。而高頻化給功率器件帶來(lái)了更大的熱損耗，小型化給功率器件的散熱增加了更多的困難，所有這些，都給提高直流變換器的容量增加了更多的障礙在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要較大輸出功率的各類(lèi)電源，一般采用新器件，新工藝，這將大大提高電源整機(jī)的成本；另一方面，有時(shí)也采用多個(gè)相同輸出電壓的直流變換器串聯(lián)或并聯(lián)的方式，來(lái)增加整機(jī)輸出容量，但容量的增加局限于現(xiàn)有器件的功率極限，不可能做到很大，而且電路復(fù)雜，運(yùn)行不穩(wěn)定，各電源之間既不同頻，又不同相，更談不上同步，相互干擾嚴(yán)重，產(chǎn)生嚴(yán)重的差拍現(xiàn)象，影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
實(shí)際工作中，磁芯各點(diǎn)的溫度是不相同的，對(duì)磁性影響最大的是處于溫度最高的點(diǎn)，稱(chēng)此點(diǎn)為熱點(diǎn)，而這些點(diǎn)是處于被繞組包圍的磁芯柱的中心點(diǎn)上。為此，要求選用鐵損耗小的磁芯，才能使鐵芯損耗不會(huì)增加太快。
功率變壓器的磁芯，一般采用E型結(jié)構(gòu)，中心柱的寬度是邊柱的兩倍。磁芯的標(biāo)稱(chēng)功率和其中心柱截面積成正比，大功率的磁芯中心柱的體積也大，散熱更困難。實(shí)際工作中，磁芯各點(diǎn)的溫度是不相同的，而這些點(diǎn)處于被繞組包圍的磁芯柱的中心點(diǎn)上。大尺寸磁芯的中心點(diǎn)即熱點(diǎn)，離鐵氧體的表面更遠(yuǎn)，熱傳導(dǎo)更困難。
各種電源正向高頻化和小型化發(fā)展，要使電源小型化，即由一定體積的磁芯獲得盡可能大的輸出功率，會(huì)出現(xiàn)下列問(wèn)題1.磁芯損耗增加；2.導(dǎo)線(xiàn)的趨膚效應(yīng)增大；3.由于漏磁通所產(chǎn)生的鄰近效應(yīng)增大；
4.由于開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的噪聲增大。
本實(shí)用新型的目的旨克服以上缺陷，設(shè)計(jì)一種低成本，高效率的直流變換器，在現(xiàn)有元器件的條件下，可以無(wú)限增加輸出功率容量。
本實(shí)用新型的目的是以下述方案實(shí)現(xiàn)的超大功率直流變換器的高頻變壓器橋式電路輸出臂上的變壓器的數(shù)量和串、并聯(lián)的連接方式，根據(jù)輸出電流和電壓的大小進(jìn)行選擇，其磁芯采用疊片式結(jié)構(gòu)，繞組采用實(shí)心方銅棒，銅棒之間留有通風(fēng)空隙，使磁芯和繞組的溫度在超極限運(yùn)用的情況下仍能保持在安全范圍之內(nèi)，有利于各類(lèi)電源的高頻化和小型化。功率器件采用多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)，以增加器件的功率容量；盡可能地減少磁芯和繞組發(fā)熱，最大限度地將產(chǎn)生的熱量及時(shí)散去，其功率容量可以提高十倍，百倍，甚到更高，在理論上沒(méi)有上限。
本實(shí)用新型盡可能地減少磁芯和繞組的發(fā)熱，這是治本；最大限度地將產(chǎn)生的熱量及時(shí)散去，這是治標(biāo)。固然要減少功率器件的發(fā)熱，但要增加功率容量，要實(shí)現(xiàn)高頻化和小型化，發(fā)熱總是無(wú)法避免的；只要最大限度地將發(fā)出來(lái)的熱量及時(shí)散去，那么溫度就不會(huì)繼續(xù)上升，各類(lèi)功率器件就可以在超極限的條件下運(yùn)用而安然無(wú)恙。由于本實(shí)用新型采用了標(biāo)本兼冶的方法。具有以下特點(diǎn)1.功率容量可以增加十倍，百倍，甚至更高，沒(méi)有一個(gè)理論的上限。
2.沒(méi)有差拍現(xiàn)象，不存在相互干擾的問(wèn)題。
3.有效防止和避免變壓器磁芯中熱點(diǎn)的產(chǎn)生。
4.設(shè)計(jì)制造容易，成本低。
圖1顯示了高頻變壓器原邊和副邊串、并聯(lián)的方法。
圖2是典型的直流變換器橋式電路原理圖，顯示了場(chǎng)效應(yīng)管四種并聯(lián)接入點(diǎn)。
圖3是高頻變壓器磁芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)1示意圖。
圖5是高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)2示意圖。
一.高頻變壓器原邊和副邊串、并聯(lián)的方法。
橋式電路輸出臂上的變壓器的數(shù)量和串、并聯(lián)的連接方式，根據(jù)輸出電流、電壓以及功率的大小進(jìn)行選擇，高頻變壓器的初級(jí)可以串、并聯(lián)連結(jié)，次級(jí)也可以串、并聯(lián)連結(jié)，并聯(lián)連結(jié)增加輸出電流，串聯(lián)連結(jié)增加輸出電壓。圖1中的1-1是初級(jí)串聯(lián)，次級(jí)并聯(lián)；1-2是初級(jí)串聯(lián)，次級(jí)串聯(lián)；1-3是初級(jí)并聯(lián)，次級(jí)串聯(lián)；1-4是初級(jí)并聯(lián)，次級(jí)并聯(lián)。
超大功率直流變換器磁芯和繞組的特點(diǎn)決定了，單個(gè)變壓器的變比調(diào)節(jié)相對(duì)來(lái)講比較困難，有了多個(gè)變壓器的串、并聯(lián)，調(diào)節(jié)起來(lái)就容易和靈活，即可以用來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)電源的等效變比。
二、場(chǎng)效應(yīng)管的四種并聯(lián)方法由于場(chǎng)效應(yīng)管是電壓驅(qū)動(dòng)元件，只需毫微安級(jí)的驅(qū)動(dòng)電流，易于并聯(lián)使用；又由于場(chǎng)效應(yīng)管具有自動(dòng)地在器件中分配電流的能力，無(wú)須另外附加額外均流電路，所以采用多個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管可以并聯(lián)運(yùn)行。隨著并聯(lián)管子數(shù)目的增加，飽和電阻呈幾何級(jí)數(shù)減小，進(jìn)一步降低了管耗；多個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)，分散了功率器件的熱點(diǎn)，最大可能地把發(fā)出來(lái)的熱盡快散去。
圖2是典型的直流變換器電路原理圖，其通常接法是四只場(chǎng)效應(yīng)三極管與功率輸出變壓器組成橋式電路，三極管由輸入倒相變壓器驅(qū)動(dòng)，倒相變壓器直接由脈寬調(diào)制器驅(qū)動(dòng)。輸入倒相變壓器至少可提供1A的方波驅(qū)動(dòng)電流，而脈寬調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路至少可輸出0.2A的方波驅(qū)動(dòng)電流，一個(gè)管子所需驅(qū)動(dòng)電流為2*10-8A，在理論上，一個(gè)脈寬調(diào)制器可驅(qū)動(dòng)5*1015只場(chǎng)效應(yīng)三極管，即功率容量可增加5*1015倍，但由于其他功率器件極限運(yùn)用條件的限制，并聯(lián)應(yīng)采取不同的方法，選擇不同的并聯(lián)位置1.多管直接并聯(lián)管子各腳直接并聯(lián)，帶動(dòng)相同的功率變壓器。場(chǎng)效應(yīng)三極管管腳直接并聯(lián)，突破了功率晶體管運(yùn)用的功率極限，但由于磁芯變壓器的輸出功率所限，功率的增加不能超過(guò)變壓器的輸出極限。
2.功率橋并聯(lián)四只三極管與輸出變壓器組成典型的橋式電路，多個(gè)橋式電路并聯(lián)，共用同一個(gè)輸入倒相變壓器，就是說(shuō)，一個(gè)輸入倒相變壓器最多可并聯(lián)五千萬(wàn)套這樣的電路，突破了單只變壓器的輸出極限。漏極和源極接不同的輸出變壓器，柵極與相應(yīng)的柵極并聯(lián)。
3.驅(qū)動(dòng)變壓器并聯(lián)共用相同驅(qū)動(dòng)管，并聯(lián)點(diǎn)在橋式電路中驅(qū)動(dòng)管的漏極，即圖2中的A-A、B-B點(diǎn)，不共同倒相變壓器，帶動(dòng)不同的功率變壓器，突破了單只驅(qū)動(dòng)變壓器的功率極限。
4.驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)是共用相同的PWM芯片，并聯(lián)點(diǎn)在脈寬調(diào)制器的輸出端，不共用驅(qū)動(dòng)三極管和倒相變壓器，帶動(dòng)不同的功率變壓器。倒相變壓器并聯(lián)點(diǎn)是脈寬調(diào)制器的輸出端，同為一個(gè)脈寬調(diào)制器所驅(qū)動(dòng)，就是說(shuō)，一個(gè)脈寬調(diào)制器可驅(qū)動(dòng)一千萬(wàn)套完整的橋式電路。并聯(lián)點(diǎn)在圖2中的C-C處。
三.高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)上述問(wèn)題都直接導(dǎo)致器件損耗發(fā)熱(銅損和鐵損)，而且是有功損耗。這些損耗發(fā)熱導(dǎo)致器件的溫度明顯上升，使磁芯的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，磁感應(yīng)強(qiáng)度降低的直接結(jié)果是損耗更進(jìn)一步增大，造成惡性循環(huán)。在溫度接近居里點(diǎn)溫度時(shí)，磁芯材料突變?yōu)轫槾判?，磁?dǎo)率突然急劇下降，造成瞬時(shí)短路，這是工程應(yīng)用中必須避免的。
在圖3的磁芯結(jié)構(gòu)示意圖中，磁芯變壓器的中心柱呈長(zhǎng)方形，有利于減少漏感，并且，長(zhǎng)與寬的比越大，漏感越小。變壓器的磁芯各片L1之間，插入金屬板散熱器L2，磁芯變壓器的上、下、左、右四面安裝整體散熱器AL1-AL4，其中AL1和AL3由N塊與之垂直的L2相連，磁芯和金屬板、磁芯和散熱器之間墊導(dǎo)熱絕緣帶L3，導(dǎo)熱絕緣帶的兩面涂以硅脂，L3即為圖3、圖4、圖5中粗黑線(xiàn)。
采用疊式結(jié)構(gòu)后，大大提高了變壓器的繞組和磁芯的散熱效果，可以提高工作頻率，減小整機(jī)體積和重量。疊片式磁芯的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以在片間插入導(dǎo)體，以增大散熱面積。目前，尤其是由于磁芯損耗和繞組損耗引起的溫升，使變壓器的溫度進(jìn)一步升高，引起磁芯材料的磁性降低，因此必須降低損耗，改善散熱條件。磁性材料高頻應(yīng)用的重要條件是損耗小。繞組的損耗功率可以通過(guò)它的表面積散熱，而且，在一定的溫升條件下，即使工作頻頻率升高，繞組的損耗亦不會(huì)明顯的增加。
四、高頻變壓器的繞組結(jié)構(gòu)固定在磁芯中心柱和邊柱上的方銅棒既是變壓器的繞組，又是磁芯中心柱和邊柱的散熱器，還是連結(jié)相應(yīng)部件的導(dǎo)線(xiàn)；銅棒和磁芯之間墊導(dǎo)熱絕緣帶，導(dǎo)熱絕緣帶的兩面涂以硅脂，穿過(guò)變壓器磁芯窗口、作為繞組的方銅棒之間留有空隙，供通風(fēng)散熱之用。
高頻化和小型化的結(jié)果都導(dǎo)致變壓器的損耗(銅損或鐵損)增加，損耗增加的直接結(jié)果是，變壓器磁芯的溫度上升，溫度上升是導(dǎo)致磁導(dǎo)率急劇下降的直接原因，阻止溫度上升有兩個(gè)方法，其一是減小損耗，其二是加強(qiáng)散熱。盡管把“減小損耗”做到盡善盡美，當(dāng)進(jìn)一步提高頻率或減小體積的時(shí)候，仍然會(huì)有損耗增加，如果能夠把“加強(qiáng)散熱”做得更好，把各種損耗產(chǎn)生的熱量及時(shí)散去，就能使磁芯溫度始終保持在安全范圍之內(nèi)。
繞組結(jié)構(gòu)示意圖中，固定在磁芯中心柱和邊柱上的方銅棒(圖4)或方銅管(圖5)既是變壓器的繞組，又是磁芯中心柱和邊柱的散熱器，還是連結(jié)相應(yīng)部件的導(dǎo)線(xiàn)；銅棒和磁芯之間墊導(dǎo)熱絕緣帶，導(dǎo)熱絕緣帶的兩面涂以硅脂，穿過(guò)變壓器磁芯窗口、作為繞組的方銅棒之間留有空隙，供通風(fēng)散熱之用。
圖4中的變壓器繞組結(jié)構(gòu)1由八根實(shí)心方銅棒組成，上部份是M2、M3、N2、N3四根，下部份是M1、M2、N1、N2四根，在上部份和下部份之間留有空隙，用作風(fēng)冷的通道；靠磁芯中心柱的四根銅棒M1、M2、M3、M4是初級(jí)繞組，連接順序是M1->M2->M3->M4，M1和M2、M3和M4在整體磁芯的反面，用相同的方銅棒在側(cè)面連接，以免檔住通風(fēng)通道，為了不影響視覺(jué)效果，兩根連接用的方銅棒在圖4中未畫(huà)出；靠磁芯邊柱的四根銅棒或銅管N1、N2、N3、N4是次級(jí)繞組，連接順序是N1->N2->N3->N4，N1和N2、N3和N4在整體磁芯的正面，用相同的方銅棒在側(cè)面連接，以免檔住通風(fēng)通道，為了不影響視覺(jué)效果，兩根連接用的方銅棒在圖4中未畫(huà)出。
圖5中的變壓器繞組結(jié)構(gòu)2由八根空心方銅管組成，上部份是M2、M3、N2、N3四根，下部份是M1、M2、N1、N2四根，在上部份和下部份之間不留空隙；靠磁芯中心柱的四根銅管M1、M2、M3、M4是初級(jí)繞組，連接順序是M1->M2->M3->M4；靠磁芯邊柱的四根銅棒或銅管N1、N2、N3、N4是次級(jí)繞組，連接順序是N1->N2->N3->N4。
圖4的繞組結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，在初級(jí)和次級(jí)繞組之間留有空隙，線(xiàn)圈用方銅棒制成；圖5的繞組結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)迫水冷，在初級(jí)和次級(jí)繞組之間不留空隙，線(xiàn)圈采用方銅管制成，循環(huán)水從方銅管中流過(guò)，散熱效果極佳。
100萬(wàn)千瓦級(jí)大型同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，需要高達(dá)3000KW的輸出功率，電壓15-300VDC，電流10000A以上，對(duì)于這樣的輸出要求，通常采用勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。如果要用開(kāi)關(guān)電源取代，常規(guī)開(kāi)關(guān)電源無(wú)能為力，采用超大功率直流變換器以后，問(wèn)題就迎刃而解。
德國(guó)西門(mén)子SKM500GA123D或日本富士IMBI600PX-120，額定電壓1200V，額定電流分別是500A和600A，四個(gè)接成橋式電路，可輸出功率200KW，用16個(gè)橋并聯(lián)運(yùn)行，即可輸出3000KW的額定功率。
高頻變壓器采用H7C1 5KW磁芯，40個(gè)磁芯分四組，每組裝配成如圖3所示高頻變壓器，每個(gè)變壓器10個(gè)H7C1 5KW磁芯，制成繞組如圖4或圖5，變比均為1比1，四個(gè)變壓器聯(lián)接如圖1中的1-2所示，即初級(jí)串聯(lián)，次級(jí)也串聯(lián)。三相全波整流濾波后的電壓為600VDC，輸出電壓為300VDC，占空比0.6左右，輸出功率200KW，正好配接一個(gè)上述橋式電路。
16個(gè)橋式電路的并聯(lián)點(diǎn)在圖2中的C-C點(diǎn)，共用PWM控制芯片，各自具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)、倒相電路，總輸出功率可達(dá)3000KW以上。
權(quán)利要求1.本實(shí)用新型屬于一種直流變換器，采用脈寬調(diào)制器驅(qū)動(dòng)的橋式電路，其特征是橋式電路的各功率器件采用多個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)，在橋的輸出臂可串聯(lián)或并聯(lián)多個(gè)變壓器，變壓器的磁芯采用疊片式結(jié)構(gòu)，變壓器的繞組采用實(shí)心方銅棒或空心方銅管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流變換器，其特征是橋式電路輸出臂上的高頻變壓器的初、次級(jí)有四種聯(lián)結(jié)方式初級(jí)串、次級(jí)串；初級(jí)串、次級(jí)并；初級(jí)并、次級(jí)串；初級(jí)并、次級(jí)并。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流變換器，其特征是場(chǎng)效應(yīng)管的并聯(lián)方法有四種一是多管管子各腳直接并聯(lián)，帶動(dòng)相同的功率變壓器；二是功率橋并聯(lián)，四只三極管與輸出變壓器組成典型的橋式電路，多個(gè)橋式電路并聯(lián)，共用同一個(gè)輸入倒相變壓器，漏極和源極接不同的輸出變壓器，柵極與相應(yīng)的柵極并聯(lián)；三是驅(qū)動(dòng)變壓器并聯(lián)，共用驅(qū)動(dòng)管，并聯(lián)點(diǎn)在橋式電路中驅(qū)動(dòng)管的漏極，即A-A、B-B點(diǎn)，不共用倒相變壓器，四是驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)，共用PWM芯片，并聯(lián)點(diǎn)在脈寬調(diào)制器的輸出端，倒相變壓器并聯(lián)點(diǎn)是脈寬調(diào)制器的輸出端，同為一個(gè)脈寬調(diào)制器所驅(qū)動(dòng)，并聯(lián)點(diǎn)在C-C處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流變換器，其特征是變壓器的磁芯L1片與片之間插入金屬板散熱L2，變壓器的上、下、左、右四面安裝整體散熱器AL1-AL4，磁芯和金屬板、磁芯和散熱器之間墊導(dǎo)熱絕緣帶L3，其兩面涂以硅脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流變換器，其特征是變壓器的繞組由八根實(shí)心方銅棒組成，上部份是M2、M3、N2、N3四根，下部份是M1、M2、N1、N2四根，在上部份和下部份之間留有空隙，用作風(fēng)冷的通道；靠磁芯中心柱的四根銅棒M1、M2、M3、M4是初級(jí)繞組，連接順序是M1->M2->M3->M4，M1和M2、M3和M4在整體磁芯的反面，用相同的方銅棒在側(cè)面連接；靠磁芯邊柱的四根銅棒或銅管N1、N2、N3、N4是次級(jí)繞組，連接順序是N1->N2->N3->N4，N1和N2、N3和N4在整體磁芯的正面，用相同的方銅棒在側(cè)面連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流變換器，其特征是變壓器的繞組由八根空心方銅管組成，管中采用強(qiáng)迫水冷，上部份是M2、M3、N2、N3四根，下部份是M1、M2、N1、N2四根，在上部份和下部份之間不留空隙；靠磁芯中心柱的四根銅管M1、M2、M3、M4是初級(jí)繞組，連接順序是M1->M2->M3->M4；靠磁芯邊柱的四根銅管N1、N2、N3、N4是次級(jí)繞組，連接順序是N1->N2->N3->N4。
專(zhuān)利摘要超大功率直流變換器的高頻變壓器磁芯,采用疊片式結(jié)構(gòu),繞組采用實(shí)心方銅棒,銅棒之間留有通風(fēng)空隙,或采用空心方銅管,管內(nèi)強(qiáng)迫水泠,使磁芯和繞組的溫度在超極限運(yùn)用的情況下,仍能保持在安全范圍之內(nèi)。高頻變壓器依輸出功率、電壓、電流的要求進(jìn)行串、并聯(lián),功率器件采用多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián),以增加器件的功率容量。盡可能地減少磁芯和繞組發(fā)熱,最大限度地將產(chǎn)生出的熱量及時(shí)散去,因此,直流變換器的功率容量可提高十倍,百倍,甚到更高,在理論上沒(méi)有上限。
文檔編號(hào)H02M7/12GK2519529SQ0125185
公開(kāi)日2002年10月30日 申請(qǐng)日期2001年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月12日
發(fā)明者郁百超 申請(qǐng)人:郁百超