具有并联绕组的中频变压器制造技术

一种变压器，特别是谐振DC/DC转换器或双有源桥DC/DC转换器的中频变压器，所述变压器包括：b)芯，特别是具有气隙的芯；c)第一线圈，所述第一线圈围绕所述芯的第一区段；d)电绝缘体，特别是中压电绝缘体，所述电绝缘体围绕所述第一线圈；e)其中，所述第一线圈包括数量为M的多个第一绕组；f)所述数量为M的多个第一绕组中的每一个包括i)第一终端和第二终端，ii)导体，所述导体在所述第一终端与所述第二终端之间以至少一个匝卷绕在所述芯的第一部分上，g)数量为M的多个第一端子，所述数量为M的多个第一端子设置在所述绝缘的外侧，所述第一端子中的每一个通过数量为M的多个第一连接器中的一个第一连接器连接到所述第一终端中不同的第一终端，由此将每个第一端子连接到相应的第一终端；所述变压器进一步包括：h)第一通道，所述第一通道从所述电绝缘体的外侧延伸到所述电绝缘体中且至少部分地延伸穿过所述电绝缘体，其中，所述数量为M的多个第一连接器延伸穿过所述第一通道；其中，i)所述数量为M的多个第一连接器在所述通道内借助于低压绝缘彼此绝缘，并且其中，优选地在所述第一连接器中的任何两个第一连接器之间不存在中压和/或高压绝缘；j)所述第二终端在所述电绝缘体内或所述电绝缘体内侧彼此连接；k)第二端子(421)设置在所述电绝缘体的外侧，并且通过第二连接器(423)连接到所述第二终端。(423)连接到所述第二终端。(423)连接到所述第二终端。

Intermediate frequency transformer with parallel windings

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有并联绕组的中频变压器


[0001]本专利技术涉及电力电子领域。本专利技术涉及一种变压器，尤其涉及根据独立权利要求的用于谐振DC/DC转换器或双有源桥DC/DC的中频变压器。

技术介绍

[0002]在较低频率下(尤其在低于1kHz的频率下)和/或对于低电流(尤其低于100A的电流)可忽略不计的几种影响，在几千赫兹的高频率(尤其高于3kHz或高得多)下处理高电流(几百安培和更多，尤其高于200A)的变压器难以低成本和/或现成部件来构造。涉及这样的高频率和/或电流的典型应用是中频变压器(MFT)，如常用于固态变压器(SST)，尤其是被配置为用于连接到中压(MV)电网的分布式电源的AC/DC转换器的SST，如在以下项中：
[0003]·
电动车辆(EV)快速充电
[0004]·
光伏(PV)太阳能
[0005]·
电池能量储存系统(BESS)
[0006]·
陆上和海上风
[0007]·
数据中心
[0008]以及不具有MV绝缘要求的变压器，如常用于EV快速充电器的充电极中所需的具有电流绝缘的大功率低压DC/DC转换器中的变压器。这种DC/DC转换器的两个特定示例是：双有源桥转换器，如瑞士专利申请公开CH707533A2或美国专利申请公开CH2018/0159435A1中示例性描述的，这两个专利申请公开均通过引用整体并入本文；以及谐振DC/DC转换器，如PCT专利申请WO2018/141092A1中示例性描述的，所述专利申请也通过引用整体并入本文。
[0009]为了使变压器线圈中的高频损耗保持较小，一种方式是采用利兹线来形成线圈的绕组。虽然利兹线比实心铜线贵几倍，但它可以“现成”购买以用于高达100A至200A(均方根，rms)的AC电流。利兹线由大量通常由铜制成的换位股线构成，并且现成可用的总截面可高达0.5cm2，这允许最大电流在100A
rms
至200A
rms
的范围内(假设填充因数为0.8并且电流密度为2.5...5A/mm2)。如在上文所列出的应用中是典型的更大电流需要更大的截面并且将越来越难以弯曲。利兹线通常不是由铝制成的，因为铝极难在导线端子处可靠地接触所有股线(例如，上文所提及的铜利兹线中每根直径为0.2mm的900根股线)。铜利兹线比实心铜至少贵2至4倍，并且铜比铝贵3倍左右。对于如在上文所列出的应用中是典型的更高的电流(>100A)，必须并联几根铜利兹线，由于并联导线之间的杂散磁通，这可能会导致循环电流，从而可能显著增加损耗。
[0010]为了优化和/或最小化制造工作量和所需资源，如50Hz变压器中通常采用的铝箔绕组可能是线圈的首选。在高频下，由于趋肤效应与邻近效应，箔中的绕组损耗显著增加。如果采用单个箔，则频率限定了所需的箔厚度，期望的或所需的电流限定了箔高度，并且这产生了变压器高度。因此，对于大电流和高频率，变压器的形状将严重偏离立方体形状，这会导致更高的重量、芯损耗以及增加的资源和工作量需求(需要更大的芯体积)。
[0011]如果采用并联箔，则可以降低箔高度，但是由于并联箔之间的杂散磁场，可能会感
应出强大的循环电流，从而显著增加损耗(由于与并联利兹线的效果类似)。
[0012]在铜利兹线和箔的这两种设计中，主要问题是并联导体之间的循环电流，这通常会显著增加绕组损耗，从而降低变压器额定功率，和/或显著增加变压器成本(USD/kW)。在如EV快速充电、PV太阳能、电池能量储存系统、风能或数据中心等前瞻性分布式能源应用中，中频变压器(MFT)是关键部件。对于更高的电流(尤其高于100A)，简单地扩大50/60Hz技术和/或采用现成的利兹线或低成本箔线会由于高频感应的循环电流而导致巨大的损耗，这会显著降低变压器性能。
[0013]循环电流的生成，尤其在两个并联连接的绕组(其中，每个绕组包括多个匝)的配置中可以理解如下：每个匝暴露于杂散磁场，例如在由变压器的芯形成的绕组窗口中。形成连接在变压器的输入和输出端子处的单独绕组的并联利兹线形成暴露于杂散磁场的回路。杂散磁场随着MFT的工作频率而变化，从而产生驱动该回路中的循环电流的电压。循环电流加到MFT中的标称电流，这可能导致一根利兹线承载超过一半的标称电流，并且并联的一根利兹线相应地承载不到一半的标称电流。如果循环电流足够大，则一根利兹线可能承载超过总标称电流的电流，并且然后并联的一根利兹线承载负(180
°
相移)电流。以这种方式，不仅总的可用铜截面有效地减少了50％，而且引入了附加损耗，并且MFT的最大输出功率减少了两倍或更多。
[0014]限制循环电流的现有解决方案需要额外的部件、更高的制造工作量和附加空间，并且可能导致附加问题。一种现有解决方案中，并联连接的导线或箔的换位、例如由相互绞合或以其他方式缠绕或交错的并联导线提供的换位需要附加制造工作量，尤其对于箔绕组，会导致有效导线长度增加，在仅具有几个绕组匝的MFT中表现出有限的效率并且可能导致高压绝缘挑战，例如由于换位位置附近的几何不均匀性。替代性地，可以在并联导线或箔之间添加共模滤波器。然而，这需要附加部件，因此可能导致更高的成本和更高的制造工作量，并且需要附加空间和/或其他资源。
[0015]最近提出的一个有利的建议是取决于与所使用变压器有关的转换器类型和/或类别来提供与并联绕组中的每一个串联的适当的阻抗元件，尤其电容器或电感器，如在欧洲专利申请EP19198713.0和EP19198718.9中且进一步地在下文更详细地描述的。这样的阻抗元件可以至少部分地替换转换器拓扑结构无论如何都需要的阻抗元件，且高效地抑制循环电流，并且因此有时被称为分体式阻抗元件，尤其被称为分体式谐振电容器或分体式能量传递电感器。
[0016]然而，当使用分体式阻抗元件时，在涉及到适当(电)绝缘的充分设计时会出现困难。
[0017]如果分体式阻抗元件要被设置成紧密地(物理地)接近相应变压器绕组的端或终端，则分体式阻抗元件需要被封装在围绕和/或包封线圈的绝缘中。
[0018]这样的绝缘存在两个基本类型：固体绝缘和液体绝缘。
[0019]固体绝缘也被称为干式浇铸绝缘、可以通过将线圈浇铸到电绝缘材料中来提供，所述电绝缘材料随后可以例如通过聚合被固化，尤其树脂。将分体式阻抗元件封装在固体绝缘中会显著增加所述绝缘的复杂性，尤其在成本和可制造性方面。此外，这将使分体式阻抗元件的维护和/或替换即使有可能也很困难。这也使系统设计者修改阻抗值变得困难，例如，修改阻抗值可能是进行微调所期望的。
[0020]液体绝缘可以通过将线圈以及通常是整个变压器淹没在罐、器皿或其他种类的容器中所容纳的绝缘液体中来提供。在这种情况下会出现类似问题和困难。首先，阻抗元件将需要位于容器内侧且因此可能不容易被接近、替换或微调。此外，如果阻抗元件是电容器，则为了达到可接受的寿命预期，电容器通常需要保持在远低于电感部件的材料的温度下。如果电容器装纳在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种变压器，特别是用于谐振DC/DC转换器(1”)或双有源桥DC/DC转换器(1
’
)的中频变压器，所述变压器包括：a)芯，特别是具有气隙的芯；b)第一线圈(100)，所述第一线圈围绕所述芯的第一区段；c)电绝缘体，特别是中压电绝缘体(40)，所述电绝缘体围绕所述第一线圈；d)其中，所述第一线圈包括数量为M的多个第一绕组(101，102)；e)所述数量为M的多个第一绕组中的每个第一绕组包括：i)第一终端和第二终端，ii)导体，所述导体以至少一个匝在所述第一终端与所述第二终端之间卷绕所述芯的第一部分，f)数量为M的多个第一端子(411，412)，所述数量为M的多个第一端子设置在所述绝缘体的外侧，所述第一端子中的每个第一端子通过数量为M的多个第一连接器(413，414)中的一个第一连接器而连接到所述第一终端中不同的第一终端，由此将每个第一端子连接到相应的第一终端；所述变压器进一步包括：g)第一通道(410)，所述第一通道从所述电绝缘体的外侧延伸到所述电绝缘体中并且至少部分延伸穿过所述电绝缘体，其中，所述数量为M的多个第一连接器延伸穿过所述第一通道；其中，h)所述数量为M的多个第一连接器在所述通道内通过低压绝缘体(415)而彼此绝缘，并且其中，优选在所述第一连接器中的任何两个第一连接器之间不存在中压绝缘和/或高压绝缘；i)所述第二终端在所述电绝缘体中或内侧彼此连接；j)第二端子(421)，所述第二端子设置在所述电绝缘体的外侧，并且所述第二端子通过第二连接器(423)连接到所述第二终端。2.根据权利要求1所述的变压器，进一步包括：a)数量为M的多个第二端子，所述数量为M的多个第二端子设置在所述电绝缘体的外侧，所述第二端子中的每个第二端子通过数量为M的多个第二连接器中的一个第二连接器连接到所述第二终端中不同的第二终端，由此将每个第二端子连接到相应的第二终端；所述变压器进一步包括：b)第二通道，所述第二通道从所述电绝缘体的外侧延伸到所述电绝缘体中并且至少部分延伸穿过所述电绝缘体，其中，所述数量为M的多个第二连接器延伸穿过所述第二通道；其中，c)所述数量为M的多个第二连接器在所述通道内通过低压绝缘体而彼此绝缘，并且其中，优选地所述第二连接器中的任何第二连接器之间不存在中压绝缘和/或高压绝缘。3.根据前述权利要求中任一项所述的变压器，其中，围绕所述第一通道和/或第二通道的壁提供中压绝缘或高压绝缘，特别是第一连接器和/或第二连接器(413，414，423)相对于所述电绝缘体的中压绝缘或高压绝缘。4.根据前述权利要求中任一项所述的变压器，其中，所述电绝缘体包括在罐(4)、器皿或其他容器中的电绝缘体流体，所述电绝缘体流体特别是油，所述第一线圈(100)、优选整个变压器被浸没在所述流体中，并且其中，所述第一通道设置在套管中，所述套管延伸穿过
所述容器的壁且至少部分延伸到所述流体中。5.根据权利要求1至3中任一项所述的变压器，其中，所述电绝缘体被浇铸在所述线圈(100)周围。6.根据前述权利要求中任一项所述的变压器，其中，所述第一连接器和/或第二连接器(413，414，423)中的每个包括利兹线，特别是由利兹线制成。7.根据前述权利要求中任一项所述的变压器，其中，每个绕组(101，102)的导体由利兹线形成，并且其中，所述第一连接器和/或第二连接器(413，414，...

【专利技术属性】
技术研发人员：U，
申请(专利权)人：日立能源瑞士股份公司，
类型：发明
国别省市：