DD232175A3

DD232175A3 - HIGH VOLTAGE TRANSFORMER FOR SOUND FREQUENCY

Info

Publication number: DD232175A3
Application number: DD26354784A
Authority: DD
Inventors: Alexander Mende; Martin Lenk
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1984-05-30
Filing date: 1984-05-30
Publication date: 1986-01-22

Abstract

Der Hochspannungstransformator dient der Erzeugung von Hochspannung mittlerer Leistung (100 W...1 kW, Spitzen-Spitzen-Spannung bis 60 kV) im Tonfrequenzbereich von 2 bis 20 kHz. Er zeichnet sich durch kleine Abmessungen und geringe Streuinduktivitaeten aus und ist als Treibertransformator in Kaskaden-Hochspannungsgeneratoren in der Roentgentechnik, Hochspannungsmesstechnik, Ionenimplantationstechnik, Prueftechnik usw. einsetzbar. Primaer- und Sekundaerwicklung besitzen die Form zweier konzentrischer, ineinanderverschiebbarer Spulenkoerper, wobei der Spulenkoerper der Sekundaerwicklung als Mehrkammerspule mit Hilfskammer ausgebildet ist. Die Sekundaerwicklung ist lagenweise vergossen und insgesamt mit einer Deckschicht aus Kunstharz versehen. Grosse Grenzflaechen zwischen Spulenkoerper und Vergussmaterial garantieren eine hohe Betriebssicherheit.The high-voltage transformer is used to generate high voltage medium power (100 W ... 1 kW, peak-to-peak voltage up to 60 kV) in the audio frequency range from 2 to 20 kHz. It is characterized by small dimensions and low leakage inductances and can be used as a driver transformer in cascade high-voltage generators in the field of X-ray technology, high-voltage measurement technology, ion implantation technology, test technology, etc. Primary and Sekundaerwicklung have the form of two concentric, telescopically movable bobbin, the bobbin of the secondary winding is designed as a multi-chamber coil with auxiliary chamber. The secondary development is potted in layers and provided with a cover layer made of synthetic resin. Large interfaces between coil body and potting material guarantee a high degree of operational safety.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator geringer Abmessungen für die Erzeugung von Hochspannungen mittlerer Leistung (100W... 1 kW, Spitzen-Spitzen-Spannung bis 60 kV) im Tonfrequenzbereich von 2 bis 20 kHz. Er eignet sich z.B. als Treibertransformator in Kaskadenhochspannungsgeneratoren und ist in der Röntgentechnik, Hochspannungstechnik, lonenimplantationstechnik, Prüftechnik usw. einsetzbar.The invention relates to a high-voltage transformer of small dimensions for the generation of high voltages of medium power (100W ... 1 kW, peak-to-peak voltage up to 60 kV) in the audio frequency range of 2 to 20 kHz. It is suitable e.g. as driver transformer in cascade high voltage generators and can be used in x-ray technology, high voltage engineering, ion implantation technology, testing technology, etc.

Characteristic of the known technical solutions

Bei Hochspannungstransformatoren kleiner und mittlerer Leistung werden je nach Arbeitsfrequenz Netzfrequenztransformatoren und Mittelfrequenztransformatoren unterschieden.Depending on the operating frequency, power frequency transformers and medium frequency transformers are differentiated for high and low voltage transformers.

Bei Netzfrequenztransformatoren dient normales Trafoblech als Kernmaterial; die Hochspannungswicklung ist vakuumgetränkt oder sie wird in Öl betrieben. Solche Transformatoren sind schwer und materialintensiv. Muß die vom Transformator abgegebene Hochspannung (50Hz) gleichgerichtet werden, müssen schon bei normalen Anforderungen bezüglich Welligkeit und Spannungskonstanz entsprechend große Siebmittel eingesetzt werden. Das führt zu unhandlichen Anordnungen mit relativ schlechten Leistungsparametern.In mains frequency transformers, normal transformer plate serves as core material; the high-voltage winding is vacuum-saturated or it is operated in oil. Such transformers are heavy and material intensive. If the high voltage (50 Hz) delivered by the transformer must be rectified, correspondingly large strainer means must be used even with normal requirements with regard to ripple and voltage constancy. This leads to cumbersome arrangements with relatively poor performance parameters.

Bei den Mittelfrequenztransformatoren hängt die zu transformierende Leistung und die Höhe der Sekundärspannung im wesentlichen vom Ferritkernmaterial und der Wickeltechnologie ab. DieSekundärwicklungen werden als vakuumgetränkte Lagenwicklung oder als unterteilte Scheibenwicklung ausgeführt. Die Scheibenwicklung hat gegenüber der Lagenwicklung den Vorteil einer wesentlich geringeren Wicklungskapazität, aber den Nachteil, daß das Übersetzungsverhältnis aufgrund der notwendigen Scheibenisolierung und des dadurch weniger kompakten Auf baus begrenzt wird. Mit den zur Verfügung stehenden Ferriten werden Frequenzen bis ca. 2OkHz und Sekundärspannungen bis 10 kV im Bereich einiger Watt erreicht.In the medium-frequency transformers, the power to be transformed and the magnitude of the secondary voltage depend essentially on the ferrite core material and the winding technology. The secondary windings are implemented as a vacuum-impregnated layer winding or as a divided disk winding. The disc winding has the advantage over the layer winding of a much lower winding capacity, but the disadvantage that the transmission ratio is limited due to the necessary disk insulation and thereby less compact construction. With the available ferrites, frequencies up to approx. 2OkHz and secondary voltages up to 10 kV in the range of a few watts are achieved.

Eine weitere Lösung zur Erzeugung von gleichgerichteter Hochspannung stellt das Prinzip der „insulating core transformer" oder das Diodensplitverfahren dar. Hier werden gut isolierende Ferrite verwendet, die so gestaltet sind, daß die Sekundärwicklung in gut isolierte Teilwicklungen aufgeteilt werden kann, wobei jede Teilwicklung eine Gleichrichterdiode und eine geeignete Kapazität enthält. Die Gesamtsekundärspannung ergibt sich aus der Summe der hintereinandergeschalteten Teilspannungen. Für viele Anwendungsfälle stehen aber geeignete Spezialferrite nicht zur Verfugung.Another solution for generating rectified high voltage is the principle of "insulating core transformer" or the diode split method. Here, good insulating ferrite are used, which are designed so that the secondary winding can be divided into well insulated partial windings, each partial winding of a rectifier diode The total secondary voltage results from the sum of the partial voltages connected in series, but suitable special ferrites are not available for many applications.

Im Niederspannungsbereich (HF-Technik) wird zur Reduzierung der Wickelkapazität die Sekundärwicklung oft als Mehrkammerwicklung ausgebildet. Bei Hochspannungstransformatorenhatwegen derdamitverbundenen Isolationsprobleme diese Technik jedoch keine Anwendung gefunden.In the low voltage range (HF technology), the secondary winding is often designed as a multi-chamber winding to reduce the winding capacity. However, in high voltage transformers, this technique has not found application for the insulation problems involved.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung sind Hochspannungstransformatoren, die bei einer geschalteten Eingangsgleichspannung von 300 V eine Ausgangs-Spitzen-Spitzen-Spannung von > 50 kV mit einer Ausgangsleistung von >300VA liefern und für Frequenzen von >3 kHz geeignet sind. Diese Transformatoren sollen z. B. als Ausgangswandler für Schaltnetzteile einsetzbar sein, so daß ebenfalls Wert auf geringe Streuinduktivitäten gelegt werden muß.The object of the invention are high-voltage transformers which provide an output peak-to-peak voltage of> 50 kV with an output power of> 300VA and are suitable for frequencies of> 3 kHz with a switched DC input voltage of 300 V. These transformers are z. B. be used as output transformer for switching power supplies, so that also value must be placed on low stray inductances.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Hochspannungstransformator so aufzubauen, daß er die genannten Parameter besitzt.The invention has for its object to build the high voltage transformer so that it has the mentioned parameters.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Primär-und Sekundärwicklung die Form zweier konzentrischer, ineinanderschiebbarer Spulenkörper besitzen, von denen der außen liegende Spulenkörper der Sekundärwicklung als Mehrkammerspule so ausgebildet ist, daß die einzelnen Kammern der Sekundärwicklung durch Kanäle, die diagonal durch die Zwischenwand vom oberen Rand der vorhergehenden Kammer zum Boden der folgenden Kammer verlaufen, verbunden sind, und daß sich über der Sekundärwicklung eine Isolationsschicht aus Kunstharz befindet.The object is achieved in that the primary and secondary windings have the form of two concentric, nestable bobbin, of which the outer bobbin of the secondary winding is designed as a multi-chamber coil so that the individual chambers of the secondary winding through channels, diagonally through the partition from the upper edge of the preceding chamber to the bottom of the following chamber are connected, and that there is an insulating layer of synthetic resin over the secondary winding.

Der Spulenkörper der Sekundärwicklung muß aus einem Stück gefertigt sein (durch Drehen, Fräsen oder Gießen) und von Kammer zu Kammer steigende Dicke der Grundisolation besitzen, die Wicklungen der einzelnen Kammern sind durch diagonale Kanäle durch die Zwischenwände der Kammern, die etwa parallel zu den Äquipotentialflächen verlaufen, verbunden. Die isolierende Grenzflächenlänge zwischen Spulenkörper und Vergußmaterial ist so groß zu machen, daß Oberflächenentladungen verhindert werden. Als besonders geeignet erweist sich eine Hilfskammer auf der Hochspannungsseite, durch die die Isolation wesentlich verlängert wird. Als Material für die Spulenkörper wird solches mit einer geringen Dielektrizitätskonstanten, vorzugsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), eingesetzt.The bobbin of the secondary winding must be made in one piece (by turning, milling or casting) and from chamber to chamber have increasing thickness of the base insulation, the windings of the individual chambers are through diagonal channels through the intermediate walls of the chambers, which are approximately parallel to the equipotential surfaces run, connected. The insulating interface length between bobbin and potting material is to be made so large that surface discharges are prevented. Particularly suitable is an auxiliary chamber on the high voltage side, through which the insulation is significantly extended. The material used for the bobbins is those having a low dielectric constant, preferably polytetrafluoroethylene (PTFE).

Bei der Herstellung der Lagen der Sekundärwicklung empfiehlt es sich, diefolgende Lage aufzubringen, bevor die Vergußmasse der vorhergehenden Lage völlig ausgehärtet ist. Distanzfolien aus PTFE verhindern das Verrutschen der einzelnen Windungen und ein zu starkes Aneinanderpressen benachbarter Lagen. Diese Folien müssen allseitig vom Gießharz umgeben sein, um Durchschlagstrecken zu vermeiden.In the production of the layers of the secondary winding, it is advisable to apply the following situation before the potting compound of the previous layer is completely cured. Spacer films made of PTFE prevent slippage of the individual turns and over-pressing of adjacent layers. These foils must be surrounded on all sides by the casting resin in order to avoid breakthrough areas.

Als Kernmaterial dienen stapelbare U-Kerne mit rechteckigem Querschnitt, die entweder mehrfach aneinandergereiht einen Kern in Form eines M-Schnittes mit großem Querschnitt ergeben oder vorzugsweise sternförmig angeordnet werden undThe core material is stackable U-cores with a rectangular cross-section, either multi-strung together give a core in the form of an M-section with a large cross-section or preferably arranged in a star shape and

angenähert eine Schalenkern bilden.form an e shell pot .

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daßThe advantages of the invention are that

— durch den Aufbau aus konzentrischen Einzelwicklungen die Windungszahl jeder einzelnen Wicklung, insbesondere der innenliegenden Primärwicklung, schnell und ohne Änderung der übrigen Wicklungen geändert werden kann;- By the construction of concentric single windings, the number of turns of each winding, in particular the inner primary winding, can be changed quickly and without changing the other windings;

— durch den Aufbau des Spulenkörpers aus einem Stück Überschläge und Kriechströme an Klebefugen vermieden werden;- Are avoided by the construction of the bobbin from a piece of flashovers and leakage currents on adhesive joints;

— durch die Ausbildung als Mehrkammerwicklung mit Hilfskammer die Isolationsstrecken an der unvermeidlichen Grenzfläche Spulenkörper — Gießharz eine auch in ungünstigen Fällen ausreichende Länge besitzen;- Due to the formation as a multi-chamber winding with auxiliary chamber, the insulation distances at the unavoidable interface bobbin - casting resin have a sufficient length even in unfavorable cases;

— durch die Dicke der Isolation des Spulenkörpers, der Hilfskammer und der Deckschicht bei minimalem Materialaufwand ein Querdurchschlag vermieden wird;- By the thickness of the insulation of the bobbin, the auxiliary chamber and the cover layer with minimal material expenditure a transverse breakdown is avoided;

— durch die Verwendung eines Isolationsmaterials hoher Durchschlagfestigkeit und geringer Dielektrizitätskonstanten sowie durch den Mehrkammeraufbau die obere Übertragungsfrequenz stark erhöht wird.- By the use of an insulating material high dielectric strength and low dielectric constant and by the multi-chamber structure, the upper transmission frequency is greatly increased.

embodiment

Die Figur zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Hochspannungstransformators.The figure shows the structure of a high-voltage transformer according to the invention.

Der Spulenkörper besteht aus zwei Teilen 1 und 3für Primär- und Sekundärwicklung, die als Drehteile aus PTFE gefertigt sind und konzentrisch ineinandergeschoben werden. Als Spulenmaterial wurde PTFE gewählt, weil es bei sehr guter Isolations- und Durchschlagfestigkeit eine kleine Dielektrizitätskonstante besitzt. Nachteilig ist zwar die schlechte Benetzbarkeit bzw. Haftfähigkeit der PTFE, doch läßt sich das durch den gewählten Aufbau ausgleichen. Der innere Teil 1 trägt eine einlagige Primärspule 2, die zur Verringerung des Skin-Effektes in Litze ausgeführt ist. Durch den konzentrischen Aufbau lassen sich die Streuinduktivitäten gering halten. Außerdem wird der zur Verfügung stehende Wickelraum optimal genutzt. Der Spulenkörper 3 für die Sekundärwicklung enthält 4 Wicklungskammern und eine Hilfskammer7, die sich an den Hochspannungsausgang 10 anschließt. Die Grundisolation, d.h. die Dicke der PTFE-Schicht unter jeder Kammerist der jeweiligen Kammerspannung angepaßt und steigt demgemäß vom Massenanschluß 9 bis zur Hilfskammer 7 an. In den Wicklungskammern befinden sich die erforderlichen Wicklungslagen 4, wobei Distanzfolien 5 zwischen den einzelnen Lagen dafür sorgen, daß letztere nicht zu weit aneinandergedrückt werden. Auch die Distanzfolien 5 bestehen aus PTFE (geringe Dielektrizitätskonstante, gute mechanische Bearbeitbarkeit). Die Lagen 4 und die Distanzfolien 5 sind vollständig mit enem geeigneten Harz vergossen. Bei der Herstellung empfiehlt es sich, die einzelnen Lagen nacheinander einzubringen und zu vergießen, wobei diefolgende Lage eingebracht wird, wenn das Harz der vorhergehenden Lage zwar bereits eine gewisse Festigkeit besitzt, aber noch nicht völlig ausgehärtet ist. Unter diesen Bedingungen vernetzen die Harzansätze der einzelnen Lagen miteinander und es können keine Grenzflächen entstehen, längs derer es zu Durchschlägen kommen könnte.The bobbin consists of two parts 1 and 3 for primary and secondary winding, which are made as turned parts made of PTFE and are pushed together concentrically. PTFE was chosen as the coil material because it has a small dielectric constant with very good insulation and dielectric strength. Although the disadvantage is the poor wettability or adhesion of the PTFE, but this can be compensated by the chosen structure. The inner part 1 carries a single-layer primary coil 2, which is designed to reduce the skin effect in strand. Due to the concentric structure, the leakage inductances can be kept low. In addition, the available changing room is used optimally. The bobbin 3 for the secondary winding contains 4 winding chambers and a Hilfsskammer7, which adjoins the high voltage output 10. The basic isolation, i. the thickness of the PTFE layer under each chamber is adapted to the respective chamber voltage and accordingly increases from the mass port 9 to the auxiliary chamber 7. In the winding chambers are the necessary winding layers 4, wherein spacer sheets 5 between the individual layers ensure that the latter are not pressed against each other too far. The spacer sheets 5 are made of PTFE (low dielectric constant, good mechanical workability). The layers 4 and the spacer sheets 5 are completely potted with a suitable resin. In the preparation, it is advisable to introduce the individual layers successively and shed, the following situation is introduced if the resin of the previous layer, although already has a certain strength, but not yet fully cured. Under these conditions, the resin approaches of the individual layers crosslink with each other and there can be no interfaces along which it could lead to breakdowns.

In den Zwischenwänden zwischen den Wicklungskammern befinden sich Verbindungskanäle 6 mit einem Durchmesser von 0,4mm, die vom oberen Wicklungsrand der vorhergehenden Kammer diagonal durch die Zwischenwand zum Boden der nächsten Kammer verlaufen. Damit wird bis auf die geringe Einbuße von 0,4mm Kanaldicke die volle Isolation der Zwischenwand wirksam und entsprechend dem Potential in Höhe der einzelnen Lagen in Bezug auf den Kanal proportional geteilt. Durch diese Kanäle 6 werden die Wicklungen der Kammern miteinander verbunden; die erste Lage in der ersten Kammer ist mit Masse 9 verbunden. Der entsprechende Wickeldraht ist hier mit Litze verstärkt. Am Hochspannungsende ist ein Hochspannungskabel 10 mit Polyethylenmantel 11 angeschlossen, das mit eingegossen ist.In the intermediate walls between the winding chambers are connecting channels 6 with a diameter of 0.4 mm, which extend from the upper winding edge of the previous chamber diagonally through the intermediate wall to the bottom of the next chamber. Thus, the full insulation of the intermediate wall is effective and proportionally divided according to the potential in the amount of the individual layers with respect to the channel except for the small loss of 0.4mm channel thickness. Through these channels 6, the windings of the chambers are interconnected; the first layer in the first chamber is connected to ground 9. The corresponding winding wire is reinforced here with stranded wire. At the high voltage end, a high voltage cable 10 is connected with polyethylene jacket 11, which is cast with.

Die gesamten Kammern, also auch Hilfskammer 7, sind mit Kunstharz vergossen; darüber befindet sich außerdem eine Deckschicht 8 aus Kunstharz, die die volle Spannung isoliert. Beim fertigen Transformator sind die beiden Spulenkörper ineinandergeschoben und von U-förmigen Ferritkernen sternförmig umgeben. Der Aufbau ist also einem Schalenkern angenähert und weist entsprechend geringe Streuung auf.The entire chambers, including the auxiliary chamber 7, are cast with synthetic resin; above it is also a cover layer 8 made of synthetic resin, which isolates the full voltage. In the finished transformer, the two bobbins are pushed into each other and surrounded in a star shape by U-shaped ferrite cores. The structure is thus approximated to a pot core and has correspondingly low scattering.

Die Breite der Hilfskammer 7 ist so gewählt, daß ein Querdurchschlag durch das Kunstharz nicht möglich ist. Insgesamt garantiert der beschriebene Aubau, daß Kriechströme oder Überschläge an Grenzflächen, z. B. zwischen den Spulenkörpern aus PTFE und der vergossenen Sekundärwicklung, verhindert werden. Die Isolierstrecken werden so lang ausgebildet, daß auch bei Ablösung des PTFE vom Kunstharz und Einströmen von Luft kein Überschlag möglich ist.The width of the auxiliary chamber 7 is chosen so that a transverse breakdown by the synthetic resin is not possible. Overall, the Aubau described that creepage currents or flashovers at interfaces, z. B. between the bobbins of PTFE and the potted secondary winding can be prevented. The Isolierstrecken be formed so long that even when detaching the PTFE from the resin and air infiltration no flashover is possible.

Claims

- I - OO3 Hri

Invention claim:

1. High voltage transformer for frequencies in the range of 2 to 20 kHz with an average power of 100 W to 1 kW and peak-to-peak voltages up to 6OkV, characterized in that the primary and secondary windings are in the form of two concentric telescoping bobbin (1; ), of which the outer bobbin of the secondary winding (3) is designed as a multi-chamber coil, that the individual chambers of the secondary winding by channels (6) which extend diagonally through the intermediate wall from the upper edge of the preceding chamber to the bottom of the following chamber, are connected and that there is an insulating layer of synthetic resin over the secondary winding.

2. High-voltage transformer according to item 1, characterized in that a chamber of the secondary coil is completely filled with synthetic resin.

3. High-voltage transformer according to item 1, characterized in that the thickness of the insulation increases under the chambers of the secondary coil in the direction of increasing voltage.

4. High-voltage transformer according to item 1, characterized in that the individual layers of the secondary winding (4) are separated by spacer sheets (5).

5. High-voltage transformer according to item 1 and 4, characterized in that the bobbin and the spacer sheets are made of polytetrafluoroethylene.

6. Hochspannungstransformtor according to item 1, characterized in that the nested primary and secondary bobbin of U-shaped ferrite cores are surrounded in a star shape.

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