阅读说明：本技术 变压器 (Transformer device ) 是由 马朋 谢毅聪 蓝琳 张伟强 于 2018-06-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种变压器,包括：至少一个磁芯,其中每一个所述磁芯具有至少一个窗口；一个一次侧绕组,穿过所有所述磁芯的至少一个窗口,其中形成所述一次侧绕组的导线沿所述导线的径向方向由内向外依次覆盖有第一固体绝缘层、接地屏蔽层和第二固体绝缘层,所述接地屏蔽层接一参考地；以及至少一个二次侧绕组,其中每一个所述二次侧绕组穿过对应的一个所述磁芯的至少一个窗口,其中,所述一次侧绕组对所述参考地具有第一电压,所述二次侧绕组对所述参考地具有第二电压,所述第二电压是所述第一电压的50倍以上。本发明提供的变压器仅有一级绝缘隔离,占用较小空间体积,同时,整体电场分布也要更加均匀,优化了整体绝缘配合。(The present invention provides a transformer, comprising: at least one magnetic core, wherein each said magnetic core has at least one window; the primary side winding penetrates through at least one window of all the magnetic cores, wherein a lead forming the primary side winding is sequentially covered with a first solid insulating layer, a grounding shielding layer and a second solid insulating layer from inside to outside along the radial direction of the lead, and the grounding shielding layer is connected with a reference ground; and at least one secondary winding, wherein each secondary winding passes through at least one window of a corresponding one of the magnetic cores, wherein the primary winding has a first voltage to the reference ground, and the secondary winding has a second voltage to the reference ground, and the second voltage is more than 50 times the first voltage. The transformer provided by the invention only has one-stage insulation isolation, occupies smaller space volume, and simultaneously has more uniform distribution of the whole electric field, thereby optimizing the whole insulation matching.)

变压器

技术领域

本发明涉及电气元件，特别涉及一种变压器。

背景技术

随着数据量急剧爆发、数据价值陡然提升、云计算飞速发展，最近几年数据中心规模一直保持高速增长态势，无论是全球市场还是中国市场，数据中心的市值、用电量等皆体现了数据中心的未来发展态势及其重要性。另一方面，在政策和市场双驱动下，新能源汽车产销持续高涨。车桩相随、智能高效的充电基础设施体系也是所要发展的重要技术。

电力电子变换器以其效率高和模块化的优势，是未来数据中心和充电桩供电的发展方向。其中，辅助电源是电力电子变换器非常重要的组成部件。对于辅助电源，传统的做法是采取从模块内部取电，其基本需求是对模块内部供电，且需要适应搭配模块数目增减。但是这一做法无法满足未来的新增需求，比如热插拔操作时系统侧旁路开关需要的供电等，系统需要中压隔离的外部独立辅助供电，以应对未来新增需求。

在电压应用等级不断提升的趋势下，为了将中压模块和外部独立辅助电源进行有效隔离，以保护人身安全，要求设计具有较高安全隔离等级的变压器。同时，为提高设备的功率密度，要求隔离变压器占用空间体积更小。

对于辅助电源的隔离变压器设计，现有两种供电方案：

1)第一种是通过两级磁性元件隔离，构成双重绝缘，这种结构占用空间体积较大，同时也影响系统的效率。

该方案的结构示意图如图1所示。最左侧标号103为SELV(safety extra-lowvoltage，安全低压)电路板，最右侧标号105为多个HV(highvoltage，高压)模块。中间部分的每一级磁性元件(第一级磁性元件101及第二级磁性元件102)为基本绝缘隔离。两级磁性元件串联，构成双重绝缘结构。该结构由两级磁性元件(第一级磁性元件101及第二级磁性元件102)组成；原边线(连接第一级磁性元件101及第二级磁性元件102)为普通绝缘线(普通绝缘线由导电线芯及包裹导电线芯的绝缘层构成)，原边线同时穿过多个磁性元件；第一级磁性元件101中，副边同时穿过多个磁性元件104；第二级磁性元件102中，副边穿过单个磁性元件104。

第一种方案的不足之处为：(1)有两级磁性元件绝缘，每一级磁性元件之间(比如l4)、每一级磁性元件到周围环境(比如l1和l2)及第一级磁性元件101到SELV电路板之间(比如l3)均需留出安全距离和爬电距离；第一级磁性元件101为多个磁性元件104堆叠，对绝缘距离要求相较于单个磁性元件104的要求要高，导致磁性元件104体积较大。(2)受限于第一级磁性元件101设计(如散热考虑)，第二级磁性元件102允许串联的负载数目较少。因此，为了完成对所有负载的供电，系统需要配置较多个SELV电路板103。(3)两级磁性元件串联结构，降低变压器效率。

2)第二种是将两级磁性元件隔离优化为一级隔离，这种供电采用接地铝管106和磁性元件的组合，构成接地金属屏蔽+基本绝缘方案，该方案也存在一些不足之处。

该方案的结构如图2所示。最左侧为SELV电路板103，最右侧为多个HV模块105，中间仅一级磁性元件隔离101。其中，接地铝管106穿过磁性元件104并与磁性元件104同心，初级线穿过接地铝管106，构成基本绝缘及接地金属屏蔽绝缘结构。

该方案的一级磁性元件隔离101由多个磁性元件104组成；一次侧绕组同时穿过多个磁性元件104，二次侧绕组穿过单个磁性元件104；一次侧绕组穿过与磁性元件104同心的接地铝管106，对磁性元件104和高压绕组(二次侧绕组)进行灌封处理。

第二种方案的不足之处为：(1)磁性元件104灌封限制磁芯材料的选择，封装后的压力通常会导致磁芯损耗大幅增加，且绝缘材料会影响磁性元件104的散热性能。(2)接地铝管106裸露在空气中，需要采取措施使铝管106到高压侧的爬电距离满足安规要求(如图2中的l6所示)。同时一级磁性元件101到周围环境(比如l5)也均需留出安全距离和爬电距离(3)须确保铝管106同时与多个磁性元件104具有良好的同心度，对机械加工精度要求较高。

由此可见，传统的方案难以在小型化变压器的同时，优化绝缘配合，提高变压器电场分布，提高变压器的功率密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种，从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的上述技术问题。

本发明的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。

根据本发明的第一个方面，提供一种变压器，包括：

至少一个磁芯，其中每一个所述磁芯具有至少一个窗口；

一个一次侧绕组，穿过所有所述磁芯的至少一个窗口，其中形成所述一次侧绕组的导线沿所述导线的径向方向由内向外依次覆盖有第一固体绝缘层、接地屏蔽层和第二固体绝缘层，所述接地屏蔽层接一参考地；以及

至少一个二次侧绕组，其中每一个所述二次侧绕组穿过对应的一个所述磁芯的至少一个窗口，

其中，所述一次侧绕组对所述参考地具有第一电压，所述二次侧绕组对所述参考地具有第二电压，所述第二电压是所述第一电压的50倍以上。

可选地，所述磁芯的数量至少为2。

可选地，所述磁芯为圆形磁环。

可选地，所述磁芯为椭圆形、多边形或不规则形磁环。

可选地，所述磁芯为EE形、EI形、UU形、UI形、CC形或CI形组合磁芯。

可选地，所述磁环的外圆表面贴附一导电箔层，所述导电箔层与所述二次侧绕组的一端电连接。

可选地，所述导电箔层为铜箔。

可选地，如果所述接地屏蔽层的外半径为r，所述磁环的内半径为R，所述第二固体绝缘层的介电常数为ε，所述第二电压为U，则所述第二固体绝缘层的厚度d需满足公式：

和

可选地，所述接地屏蔽层和所述第二固体绝缘层之间还覆盖有一半导电层。

可选地，所述半导电层为掺杂炭黑的聚合物材料。

可选地，所述掺杂炭黑的聚合物材料为掺杂炭黑的乙酸乙烯共聚物或聚乙烯，其电阻率范围为10^-4～10³Ω·m。

可选地，所述第一固体绝缘层和所述第二固体绝缘层为硅橡胶、聚乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或乙丙橡胶。

本发明提供的变压器具有如下优势：

1)仅设置有一级绝缘隔离，占用较小空间体积；

2)没有接地铝管和二次侧绕组的无灌封处理保证了磁芯良好的散热性能；

3)一次侧绕组为高压绝缘线，无需考虑它到高压侧的安规距离；

4)一次侧绕组的绝缘结构均匀化电场分布并提高局部放电电压，由此，提高变压器的功率密度。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是这里的详细说明以及附图仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利要求范围作任何的限制。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1为现有技术中的一种的变压器的示意图；

图2为现有技术中的另一种变压器的示意图；

图3为本发明的一个实施例的变压器的示意图；

图4为图3所示的变压器的立体图；

图5为本发明的一个实施例的一次侧绕组穿过磁芯的截面示意图；

图6为图2中一次侧绕组穿过磁芯的绝缘结构示意图；

图7为图3中一次侧绕组穿过磁芯的绝缘结构示意图；

图8为图6的绝缘结构的电场分布示意图；

图9为图7的绝缘结构的电场分布示意图；

图10为图6和图7的绝缘结构的电场分布对比示意图；

图11为本发明的一个实施例的EE磁芯的结构示意图；

图12为本发明的另一个实施例的一次侧绕组穿过磁芯的截面示意图；

图13为本发明的再一个实施例的一次侧绕组穿过磁芯的截面示意图。

附图标记：

101 第一级磁性元件

102 第二级磁性元件

103 SELV电路板

104 磁性元件

105 HV模块

106 接地铝管

1 线芯

2 第一固体绝缘层

3 接地屏蔽层

4 第二固体绝缘层

5、5A、5B 空气

6 磁芯

7、8 二次侧绕组

9、23 一次侧绕组的绝缘导线

10、13、16 磁芯

11、14、17 磁性元件骨架

12、15、18 HV模块

21、22 EE磁芯

25 半导体层

26 导电箔层

A 窗口

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的结构、部件、步骤、方法等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、部件或者操作以避免模糊本发明的各方面。

首先参考图3，图3为本发明的一个实施例的变压器的示意图。

变压器包括至少一个磁芯(如10、13、16)、一个一次侧绕组9、至少一个二次侧绕组。

在本发明的一些实施例中，所述磁芯的数量至少为2。如图3所示，本实施例共示出三个磁芯10、13、16。每一个所述磁芯具有至少一个窗口A。在本实施例中，三个磁芯10、13、16分别具有一个窗口A。在本实施例中，各磁芯10、13、16为圆形磁环。在本发明的一些其它实施例中，各磁芯为具有一个窗口的椭圆形、多边形或不规则形磁环，本发明并非以此为限。

一次侧绕组穿过所有所述磁芯10、13、16的至少一个窗口A。形成所述一次侧绕组的绝缘导线9沿所述绝缘导线的径向方向由内向外依次覆盖有第一固体绝缘层(如图5标号2)、接地屏蔽层(如图5标号3)和第二固体绝缘层(如图5标号4)，所述接地屏蔽层接一参考地。所述第一固体绝缘层和所述第二固体绝缘层可以是硅橡胶、聚乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或乙丙橡胶，本发明并非以此为限。

每一个二次侧绕组7、8(标号7、8为一个二次侧绕组的两端)穿过对应的一个所述磁芯(10、13、16)的至少一个窗口A。

其中，所述一次侧绕组9对所述参考地具有第一电压，所述二次侧绕组7、8对所述参考地具有第二电压，所述第二电压是所述第一电压的50倍以上。

具体而言，如图4所示，图4为图3所示的变压器的立体图。

变压器包括至少一个磁芯(如10、13、16)、一个一次侧绕组、至少一个二次侧绕组(未示出)及至少一个hv模块(在本实施例中，一hv模块对应一磁芯，但本发明并非以此为限)。磁芯10(图中以磁环为例)固定在磁性元件骨架11中，带内屏蔽的一次侧绕组的绝缘导线9(绝缘导线9的结构与图4所述的截面图相同)与磁芯10的窗口和磁性元件骨架11呈同心结构。磁芯13及磁芯16具有与磁芯10相同的连接结构。一次侧绕组的绝缘导线9同时穿过多个磁芯(磁芯10、13和16)和磁性元件骨架(磁性元件骨架11、14和17)，磁性元件骨架11、14和17分别固定在hv模块12、15和18的一侧。

图4示出了变压器的具体实现，磁芯(磁芯10、13和16)、一次侧绕组的绝缘导线9、二次侧绕组及hv模块通过磁性元件骨架11、14和17连接在一起，实现传输效率的提高，并均匀化绝缘结构的电场分布。

具体而言，如图5所示，图5为本发明的一个实施例的一次侧绕组及二次侧绕组穿过磁芯的截面示意图。图5的截面示意图中，由内由中心沿径向方向向外，依次为一次侧绕组的绝缘导线的线芯1，第一固体绝缘层2，接地屏蔽层3，第二固体绝缘层4，空气5，磁芯6(磁芯6例如可以是图3所示的磁芯10、13、16中的任一个)，二次侧绕组7和8。第一固体绝缘层2须耐受一次侧绕组的绝缘导线的线芯1对接地屏蔽层3的电压，而第二固体绝缘层4须耐受二次侧绕组7和8对接地屏蔽层3的电压。

下面参见图6和图7，以将本发明的实施例与现有技术中第二种方案进行对比，图6为图2中一次侧绕组穿过磁芯的绝缘结构示意图，图7为图4中一次侧绕组穿过磁芯的绝缘结构示意图。

现有技术第二种方案(如图2所示)，其一次侧绕组穿过磁芯的绝缘结构由内向外依次为：一次侧绕组的线芯1、空气5A、接地铝管106、空气5B、固体绝缘层4和磁芯6。而本发明实施例的一次侧绕组穿过磁芯的绝缘结构从内向外依次为：一次侧绕组的线芯1、第一固体绝缘层2、接地金属屏蔽3、第二固体绝缘层4、空气5和磁芯6。与现有技术第二种方案相比，本发明图4所示实施例将空气5A替换为了第一固体绝缘材料2；同时，空气5B和第二固体绝缘材料4的位置进行了互换。绝缘结构的改变引起了相应的电场分布的变化。

假设接地屏蔽层3(或接地铝管106)的外半径为5mm，第二固体绝缘层4的厚度为5mm，磁环6的内半径为17mm，第一固体绝缘材料和第一固体绝缘材料的介电常数ε_r为3，外加电压为15kV时，现有技术第二种方案和本发明实施例所对应电场分布分别如图8和图9所示。图8为图6的绝缘结构的电场分布示意图；图9为图7的绝缘结构的电场分布示意图。图8和图9中x轴的方向为自绝缘结构的径向方向，x轴的值为离绝缘结构的中心的距离。不同的深浅表示了不同的电场强度。

为了更加直观地对两种绝缘结构中的电场分布进行比较，做从圆心出发沿径向方向的电场变化曲线，如图10所示(横坐标表示半径，纵坐标表示电场强度)。实曲线为现有技术第二种方案的电场分布情况，可以看出，其在绝缘结构内侧(接地铝管外表面，横坐标位置5mm)的电场值较大，最大值为2.9kV/mm，在绝缘结构外侧的电场值非常小(小于0.5kV/mm，横坐标位置大于17mm处)，电场分布极不均匀。虚曲线为本发明实施例的电场分布情况，最大电场位于第二固体绝缘层与空气的界面处(横坐标位置12mm)，最大电场为1.9kV/mm，在第二固体绝缘层内侧的电场较低(最大为1.2kV/mm，横坐标位置10mm以内)。相比于现有技术第二种方案，本发明中的最大电场值有所减小：由2.9kV/mm减小为1.9kV/mm；同时，且整体电场分布也要更加均匀。由此可见，相比于现有技术第二种方案，本发明实施例优化了整体绝缘配合。

在13.8kV的中压绝缘系统中，如果安规中规定的电气间隙和爬电距离分别为152mm和203mm，那么现有技术第二种方案中接地铝管距离高压侧的距离(如图2中的l6所示)至少为152mm，而本发明实施例由于一次侧绕组为高压绝缘线，无需考虑它到高压侧的安规距离，因此，本发明实施例则不受此限制。由此，对于隔离变压器中的单个绝缘结构，相比现有技术第二种方案，本发明提出的结构占用的空间体积可以节省约1/3。

由此，本发明实施例提供的变压器仅有采用一级绝缘隔离，占用较小空间体积；同时，相比现有技术第二种方案，本发明实施例的磁芯无灌封处理，保证了磁芯良好的散热性能。此外，一次侧绕组为高压绝缘线，无需考虑它到高压侧的安规距离。本发明实施例还优化第一侧绕组和磁芯的绝缘配合，由此均匀化整体电场分布。

在本发明中，固体绝缘层4的厚度d需满足一定的要求。在本发明的一个具体实施例中，若所述接地屏蔽层3的外半径为r，所述磁环6的内半径为R，所述第二固体绝缘层4的介电常数为ε，所述第二电压为U，则所述第二固体绝缘层4的厚度d需满足如下公式，以进一步实现整体电场的均匀化：

和

图11为本发明的一个实施例的变压器的磁芯为EE磁芯时的绕线结构示意图。当变压器的磁芯为EE磁芯时，EE磁芯21和22共同构成两个供第一侧绕组的绝缘导线23(绝缘导线23与图5所示的截面图中的结构相同)穿过的窗口。在本实施例中，可以通过调节EE磁芯21和22的气隙，防止磁芯饱和。本发明并非以此限，变压器的磁芯还可以是EI形、UU形、UI形、CC形或CI形组合磁芯，在该些实施例中，皆可以通过调节磁芯之间的气隙，来防止磁芯饱和。

图12为本发明的另一个实施例的一次侧绕组穿过磁芯的截面示意图。图12与图4所示的结构类似，由内由中心沿径向方向向外，依次为一次侧绕组的绝缘导线的线芯1，第一固体绝缘层2，接地屏蔽层3，第二固体绝缘层4，空气5，磁芯6(磁芯6例如可以是图3所示的磁芯10、13、16中的任一个)，二次侧绕组7和8。与图5结构不同的是第一侧绕组的绝缘导线的接地屏蔽层3和第二绝缘层4之间覆盖有一层半导电层25，半导电层25可以是注入掺杂炭黑的乙酸乙烯共聚物或聚乙烯等掺杂炭黑的聚合物材料。，半导电层25电阻率范围优选地为10^-4～10³Ω·m。该半导电层25可以进一步提高第一侧绕组的绝缘导线的局部放电水平，提高变压器的可靠性。

图13为本发明的再一个实施例的一次侧绕组穿过磁芯的截面示意图。图13与图5所示的结构类似，由内由中心沿径向方向向外，依次为一次侧绕组的绝缘导线的线芯1，第一固体绝缘层2，接地屏蔽层3，第二固体绝缘层4，空气5，磁芯6(磁芯6例如可以是图3所示的磁芯10、13、16中的任一个)，二次侧绕组7和8。与图5不同的是，在图13所示的实施例中，所述磁芯6的外表面贴附一导电箔层26，所述导电箔层26与所述二次侧绕组的一端电连接。本实施例中，导电箔层26与标号7所表示的二次侧绕组的一端点连接。在其它实施例中，导电箔层26也可与标号8所表示的二次侧绕组的另一端点连接。在一些实施例中，所述导电箔层26可以是铜箔。本实施例所提供的结构可以避免在二次侧绕组7和8与磁芯6之间发生局部放电，提高变压器的可靠性。

上述各实施例可以独立实施或组合实施，这些实施例的变化方式都在本发明的保护范围之内。

本发明提供的变压器具有如下优势：

1)仅设置有一级绝缘隔离，占用较小空间体积；

2)没有接地铝管和二次侧绕组的无灌封处理保证了磁芯良好的散热性能；

3)一次侧绕组为高压绝缘线，无需考虑它到高压侧的安规距离；

4)一次侧绕组的绝缘结构均匀化电场分布并提高局部放电电压，由此，提高变压器的功率密度。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。