CN105161284B - 高隔离耐压电源制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高隔离耐压电源制造方法，包括其主要器件高隔离耐压变压器的制造方法，属于电力电子技术领域。本发明通过改进变压器的绕制方式，针对性选择变压器磁芯、绕制线、绝缘胶带和灌封胶等材料，并对变压器进行浸漆处理和灌封处理，最终得到具有良好的隔离耐压能力的变压器。采用这种变压器制造的高隔离耐压电源，同样具有良好的隔离耐压能力，同时还能兼具较高的输出功率、精度、效率以及较小的体积，能够满足高电压等级场合中各类用电设备对供电电源的需求。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体而言，本发明涉及一种高隔离耐压电源的制造技术。
背景技术
目前，由于高电压大功率的功率管（IGBT、IGCT等等）价格昂贵，且供应周期长，故很多公司都在考虑使用IGBT串联的方式来节省成本。但是IGBT串联使用时母线电压很高，这就为IGBT的驱动带来了难题。同时，随着供电电压等级的不但升高，很多用电设备找不到合适的高隔离耐压电源，从而不得不提高成本，用一个体积庞大的工频变压器进行降压后在使用。但是随着人们对功率密度的要求越来越高，对产品的成本控制越来越严格，变压器降压供电的方式已经满足不了人们使用的需要。这些尖锐的问题使得高隔离耐压电源有其存在的必要。
而在设计方面，电源一般在输出采用TL431加光耦的反馈方式。就光耦反馈方式而言，普通光耦的隔离强度最高为5000VAC，在特定的情况下最高能达到7500VAC，这也就限制了此类电源的隔离强度：最高不能超过7500VAC（而且要求隔离变压器能达到7500VAC的隔离强度）。因此，输出采用TL431加光耦的反馈方式做出的电源不能用在隔离强度要求大于7500VAC的地方，否则将会带来用电设备的用电事故。
在某些特殊的领域中（如航空航天），光耦反馈不再适用，电源会使用磁反馈。这种方式主要是利用一个小型的反馈变压器来代替光耦，实现输出反馈。只要变压器的隔离强度足够，这种反馈方式也能做到很高的隔离电压。但是因为同时存在隔离变压器和反馈变压器，所以此类产品若要做到很高的隔离电压，就需要有很大体积的两个变压器，这样就会导致产品具有很大的体积，给使用造成不便。
因此，目前急需设计出一种隔离强度高、体积小，同时还能提供足够功率的高隔离耐压电源来满足用电设备的需要。
发明内容
本发明的目的是：为克服现有技术中高隔离耐压电源设计方式的不足，从变压器制造工艺方面进行创新和改进，提供一种高隔离耐压变压器及其制造方法，进而采用这种变压器制造高隔离耐压电源，从而为满足高电压等级场合中各类用电设备对供电电源的需求提供支持。
具体地说，本发明是采用以下的技术方案实现的：
本发明公开的高隔离耐压变压器的制造方法，包括如下步骤：
1）选用卧式骨架的E28规格磁芯作为变压器的磁芯，并将卧式骨架的出针全部拔除；
2）在骨架上依次绕制3个绕组，构成原边自反馈结构，其中第一绕组N1作为输入绕组，第二绕组N2作为原边反馈绕组，第三绕组N3作为输出绕组，具体绕制过程如下：
先在骨架上缠绕至少5层聚酰亚胺薄膜胶带，然后使用绝缘线进行第一绕组N1的绕制，单线绕多圈；
完成第一绕组N1的绕制后，在第一绕组N1上继续缠绕1-2层聚酰亚胺薄膜胶带，接着使用绝缘线进行第二绕组N2的绕制，双线并绕多圈；
完成第二绕组N2的绕制后，在第二绕组N2上继续缠绕至少10层聚酰亚胺薄膜胶带，接着使用绝缘线进行第三绕组N3的绕制，双线并绕多圈；
完成第三绕组N3的绕制后，在第三绕组N3上继续缠绕至少5层聚酰亚胺薄膜胶带；
上述绕制各绕组的绝缘线的绝缘能力在5KV以上，直径不超过0.3mm；在绕制各绕组时，对绕组留出线头，用于与外部电路连接；绕制时将第一绕组N1的电感量控制在1200uH±10%的范围内；
3）对变压器进行浸漆处理和灌封处理，完成变压器的制造。
上述高隔离耐压变压器的制造方法，其进一步特征在于，绕制各绕组的绝缘线为三层绝缘线。
上述高隔离耐压变压器的制造方法，其进一步特征在于，，绕制第一绕组N1的绝缘线的直径为0.28mm，绕制圈数为49圈；绕制第二绕组N2的绝缘线的直径为0.25mm，绕制圈数为6圈；绕制第三绕组N3的绝缘线的直径为0.25mm，绕制圈数为10圈。
上述高隔离耐压变压器的制造方法，其进一步特征在于，各绕组的线头的长度为2-3cm。
上述高隔离耐压变压器的制造方法，其进一步特征在于，采用击穿电压至少为25KV/mm的灌封胶对变压器进行灌封处理。
本发明公开的高隔离耐压变压器，采用上述高隔离耐压变压器的制造方法制造。
本发明公开的高隔离耐压电源，包括以下部件：输入整流滤波电路、输出整流滤波电路、开关器件、反馈电路、初级与次级侧PWM 控制器以及变压器，其中变压器为本发明公开的高隔离耐压变压器，输入电压经输入整流滤波电路整流滤波后一部分为初级与次级侧PWM 控制器供电、另一部分通过开关器件经变压器原边的第一绕组N1传递给变压器副边的第三绕组N3再经输出整流滤波电路整流滤波后输出，变压器原边的第二绕组N2的输出电压作为反馈信号经反馈电路提供给初级与次级侧PWM 控制器，初级与次级侧PWM 控制器根据反馈信号通过开关器件对电源输出电压进行控制。
上述高隔离耐压电源，其进一步特征在于，所述初级与次级侧PWM 控制器的型号为LNK6667E，电源的拓扑结构采用反激式拓扑。
上述高隔离耐压电源的制造方法如下：首先采用上述高隔离耐压变压器的制造方法制造变压器，然后根据电源电路结构将电源各部件安装在PCB板上，其中变压器各绕组的线头直接焊接在PCB板上与相关部件连接，最后得到电源成品。
本发明的有益效果如下：
1、与现有产品相比，通过本发明方法制造的高隔离耐压变压器能够在保持较小的体积下达到很高的耐压强度。一般而言，变压器要求高隔离并且小体积，这是一对相对矛盾的要求。但是，在本发明中，通过对变压器制造工艺的重新设计和创新，采用了N1、N2、N3绕组依次绕制的绕制顺序，并针对性的针对性选择变压器磁芯、绕制线、绝缘胶带和灌封胶等材料，通过对变压器进行浸漆处理和灌封处理，最终能够得到在较小的体积下同时具有良好的隔离耐压能力的变压器。根据实验数据表明，在50Hz的条件下，通过本发明方法制造的高隔离耐压变压器的平均耐压强度在20KV以上，并可继续上升到35KV的强度，从而可为在10KV的母线电压上工作的小型设备提供35KV的隔离电源。
2、与现有产品相比，通过本发明方法制造的高隔离耐压电源能够在保证高隔离强度、体积小的情况下做到较高的输出功率、精度和效率。本发明方法制造的高隔离耐压电源在电路结构上属于原边自反馈式方式。一般情况下，使用原边自反馈方式的电源，在隔离强度高并且不采用输出反馈的时候，多采用开环控制，同时会控制原边开关管，使其保持固定占空比开关。这样方式会导致输出功率不高一般在3-5W左右，若要强行将功率提高，则输出电压会被拉低，影响正常工作。同时精度也不高，原因在于靠变压器变比来和固定输入占空比来调节输出电压，会因为变压器的离散因数（漏感、寄生电容等）导致每个电源个体的输出存在很大差异，一般情况下输出会偏差超过±20%。而由于通过本发明方法制造的高隔离耐压变压器本身具有良好的隔离耐压性能，使得采用该变压器的本发明的高隔离耐压电源能够较现有的原边自反馈式电源在保证高隔离强度、体积小的情况下做到更高的输出功率。如结合本发明采用的LNK6667E初级与次级侧PWM 控制器以及反激式拓扑的电源拓扑结构，其输出功率可达20W-40W之间，输出电压控制在24V左右。如对输出的24V再次进行DC/DC变换（back拓扑），便可得到IGBT驱动所需要的+16V与-9V。同时，输出精度能控制在±5%左右，甚至达到±3%或更高，输出效率可在75%左右。
附图说明
图1为高隔离耐压变压器的绕组结构示意图。
图2为高隔离耐压电源的电路原理框图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
本发明的一个实施例，其目的是提供一种高隔离耐压电源，要求能在保证高隔离强度、体积小的情况下做到较高的输出功率、精度和效率。
为达此目标，该实施例首先在电源电路上另辟蹊径，放弃现有技术中常见的TL431加光耦的反馈方式和磁反馈的反馈方式，而采用原边自反馈方式，即去掉在光耦反馈或磁反馈方式中由副边反馈到原边的路径（在TL431加光耦的反馈方式中去掉TL431和光耦；磁反馈中去掉反馈变压器），将输出由一组变为两组，并且两组输出的线圈都绕在同一个变压器上，其中一组线圈作为原边反馈绕组提供反馈信号，另一组线圈提供电压输出。具体的变压器绕组结构如图1所示，图1中的N1即为输入绕组，N2即为原边反馈绕组，N3即为输出绕组。
具体而言，该实施例的高隔离耐压电源的电路原理如图2所示，包括输入整流滤波电路、输出整流滤波电路、开关器件、反馈电路、初级与次级侧PWM 控制器以及变压器。输入电压经输入整流滤波电路整流滤波后一部分为初级与次级侧PWM 控制器供电、另一部分通过开关器件经变压器原边的输入绕组传递给变压器副边的输出绕组再经输出整流滤波电路整流滤波后输出，变压器原边反馈绕组的输出电压作为反馈信号经反馈电路提供给初级与次级侧PWM 控制器，初级与次级侧PWM 控制器根据反馈信号通过开关器件对电源输出电压进行控制。在该实施例中，初级与次级侧PWM 控制器具体采用的是Power Integrations公司出品的芯片LNK6667E，电源的拓扑结构采用反激式拓扑。
该实施例的设计指标是：变压器原边反馈绕组的隔离强度为2kV左右，输出绕组的隔离强度要求达到20kV以上。为了达到这个指标，该实施例采用了一种高隔离耐压变压器。这一变压器是通过采用一种特殊创新工艺加工制造得到的，主要包括以下几个方面：
首先，要对绕组的绕制铜线进行筛选。考虑到高绝缘耐压与高频电源的趋肤效应问题，选择的铜线绝缘能力最好在5KV以上，并且直径最好不要超过0.3mm（100KHz的输入频率）。综合上述条件，选择了三层绝缘线作为绕制铜线。
其次，要对变压器骨架进行处理。变压器采用E28规格磁芯。对于EC28磁芯，卧式骨架比立式骨架原副边的间距大，所以使用卧式骨架。同时为了增强绝缘强度，需要将卧式骨架的出针全部拔除，变压器（绕组）出线直接焊接在PCB板上，不靠骨架的出针提供电气连接。
再次，是选择绝缘胶带。经过比较，选择聚酰亚胺薄膜胶带作为绝缘胶带。此胶带厚度仅为0.06mm，但是能提供每层1000V以上的耐压能力。
最后，需考虑要进行浸漆处理和灌封处理。本实施例采用一个40*35*30mm3的外壳灌封变压器，该外壳足够装入变压器磁芯。灌封所使用的灌封胶的击穿电压应不低于25KV/mm，在本实施例中，具体采用的是906型绝缘灌封胶，由南京喜力特胶粘剂有限公司出品。
在本实施例中，变压器具体制造过程如下：
1）将卧式骨架的E28规格磁芯骨架上的出针全部拔除；
2）在骨架上依次绕制3个绕组，构成原边自反馈结构，其中第一绕组N1作为输入绕组，第二绕组N2作为原边反馈绕组，第三绕组N3作为输出绕组；
3）对变压器进行浸漆处理，并用906型绝缘灌封胶对变压器进行灌封处理将其灌封在外壳中，完成变压器的制造。
其中，绕组的具体绕制过程如下：
先在骨架上缠绕至少5层聚酰亚胺薄膜胶带，然后使用直径为0.28mm的三层绝缘线进行第一绕组N1的绕制，单线绕多圈，绕制时将第一绕组N1的电感量控制在1200uH±10%的范围内。为了达到本实施例的设计指标，在本实施例中N1绕组共绕制了49圈。
完成第一绕组N1的绕制后，在第一绕组N1上继续缠绕1-2层聚酰亚胺薄膜胶带，接着使用直径为0.25mm的三层绝缘线进行第二绕组N2的绕制，双线并绕多圈。为了达到本实施例的设计指标，在本实施例中N2绕组共绕制了6圈。
完成第二绕组N2的绕制后，在第二绕组N2上继续缠绕至少10层聚酰亚胺薄膜胶带，接着使用直径为0.25mm的三层绝缘线进行第三绕组N3的绕制，双线并绕多圈。为了达到本实施例的设计指标，在本实施例中N3绕组共绕制了10圈。
完成第三绕组N3的绕制后，在第三绕组N3上继续缠绕至少5层聚酰亚胺薄膜胶带。
在绕制各绕组时，对绕组留出线头，用于与外部电路连接，长度在2-3cm左右较为合适。
如果要达到更高的设计指标，如要求达到35KV以上的隔离强度，可以在本实施例的基础上增加变压器原边和副边绝缘胶带的层数来继续提高变压器的耐压能力。这样的变压器足以满足为10KV的母线电压上工作的小型设备提供35KV的隔离电源的需求。
采用上述变压器制造本实施例的高隔离耐压电源的过程如下：首先采用上述高隔离耐压变压器的制造方法制造变压器，然后根据电源电路结构将电源各部件安装在PCB板上，其中变压器各绕组的线头直接焊接在PCB板上与相关部件连接，最后得到电源成品。
经实验数据表明，本实施例与现有产品相比具有明显的技术优势：
1、本实施例中的高隔离耐压变压器能够达到很高的耐压强度。
在50Hz，20KV的条件下对本实施例中的变压器进行1分钟的耐压测试，漏电流小于1mA。之后对其进行破坏性试验，在50Hz，25KVAC的条件下击穿。
在30KVDC条件下对本实施例中的变压器进行1分钟的耐压测试，漏电流小于1mA。因为耐压测试仪量程问题，无法再加高电压对其进行破坏性试验。
接着对同一批次的52个变压器做一致性试验，在50Hz的条件下，它们的平均耐压强度在20KV以上，达到了本实施例的设计指标。
2、本实施例中的高隔离耐压电源能够在保证高隔离强度、体积小的情况下做到较高的输出功率、精度和效率。
由于采用了上述高隔离耐压变压器，本实施例中的高隔离耐压电源同样具备了高隔离强度和体积小的优点，同时结合LNK6667E初级与次级侧PWM 控制器以及反激式拓扑的电源拓扑结构，其输出功率较常见的原边自反馈方式的电源大幅提高，能达到20W~40W左右。输出电压可在5V~35V之间输出，精度在5%左右，甚至达到±3%或更高，输出效率可在75%左右。输入范围则可在100VDC~300VDC之间，标称电压在150VDC左右，能满足一般工业输入的要求。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (6)
1.一种高隔离耐压变压器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）选用卧式骨架的E28规格磁芯作为变压器的磁芯，并将卧式骨架的出针全部拔除；
2）在骨架上依次绕制3个绕组，构成原边自反馈结构，其中第一绕组N1作为输入绕组，第二绕组N2作为原边反馈绕组，第三绕组N3作为输出绕组，具体绕制过程如下：
先在骨架上缠绕至少5层聚酰亚胺薄膜胶带，然后使用绝缘线进行第一绕组N1的绕制，单线绕多圈；
完成第一绕组N1的绕制后，在第一绕组N1上继续缠绕1-2层聚酰亚胺薄膜胶带，接着使用绝缘线进行第二绕组N2的绕制，双线并绕多圈；
完成第二绕组N2的绕制后，在第二绕组N2上继续缠绕至少10层聚酰亚胺薄膜胶带，接着使用绝缘线进行第三绕组N3的绕制，双线并绕多圈；
完成第三绕组N3的绕制后，在第三绕组N3上继续缠绕至少5层聚酰亚胺薄膜胶带；
上述绕制各绕组的绝缘线为三层绝缘线、绝缘能力为5KV以上，绕制第一绕组N1的绝缘线的直径为0.28mm，绕制圈数为49圈；绕制第二绕组N2的绝缘线的直径为0.25mm，绕制圈数为6圈；绕制第三绕组N3的绝缘线的直径为0.25mm，绕制圈数为10圈；在绕制各绕组时，对绕组留出线头，用于与外部电路连接；绕制时将第一绕组N1的电感量控制在1200uH±10%的范围内；
3）对变压器进行浸漆处理并采用击穿电压至少为25KV/mm的灌封胶对变压器进行灌封处理，完成变压器的制造。
2.根据权利要求1所述的高隔离耐压变压器的制造方法，其特征在于，各绕组的线头的长度为2-3cm。
3.一种高隔离耐压变压器，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的高隔离耐压变压器的制造方法制造。
4.一种高隔离耐压电源，包括以下部件：输入整流滤波电路、输出整流滤波电路、开关器件、反馈电路、初级与次级侧PWM 控制器以及变压器，其特征在于，所述变压器为如权利要求3所述的高隔离耐压变压器，输入电压经输入整流滤波电路整流滤波后一部分为初级与次级侧PWM 控制器供电、另一部分通过开关器件经变压器原边的第一绕组N1传递给变压器副边的第三绕组N3再经输出整流滤波电路整流滤波后输出，变压器原边的第二绕组N2的输出电压作为反馈信号经反馈电路提供给初级与次级侧PWM 控制器，初级与次级侧PWM 控制器根据反馈信号通过开关器件对电源输出电压进行控制。
5.根据权利要求4所述的高隔离耐压电源，其特征在于，所述初级与次级侧PWM 控制器的型号为LNK6667E，电源的拓扑结构采用反激式拓扑。
6.一种制造如权利要求4或5所述的高隔离耐压电源的制造方法，其特征在于，首先采用如权利要求1或2所述的高隔离耐压变压器的制造方法制造变压器，然后根据电源电路结构将电源各部件安装在PCB板上，其中变压器各绕组的线头直接焊接在PCB板上与相关部件连接，最后得到电源成品。
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