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電動(dòng)車(chē)輛直流充電模塊高頻變壓器絕緣設(shè)計(jì)方法

2021-09-29 13:47:43·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：趙英軍等  
　
文章來(lái)源：1.深圳麥格米特電氣股份有限公司2.西安麥格米特電氣有限公司0引言電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊初級(jí)和次級(jí)之間一般采用高頻隔離變壓器進(jìn)行電氣絕緣和隔離
文章來(lái)源：1.深圳麥格米特電氣股份有限公司2.西安麥格米特電氣有限公司

0引言
電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊初級(jí)和次級(jí)之間一般采用高頻隔離變壓器進(jìn)行電氣絕緣和隔離設(shè)計(jì)。高電壓，大電流決定了高頻隔離變壓器需要良好的電氣絕緣。高開(kāi)關(guān)頻率決定了高頻隔離變壓器絕緣需要承受更高頻率的共模電壓，對(duì)絕緣設(shè)計(jì)提出了更高的要求。高功率密度決定了電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊體積更小，發(fā)熱更加嚴(yán)重，同樣對(duì)高頻隔離變壓器的電氣絕緣設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊在充電站戶(hù)外應(yīng)用時(shí)，外部承受高溫，內(nèi)部高頻隔離變壓器發(fā)熱更加嚴(yán)重。其次充電站為了防止戶(hù)外灰塵、煙霧和淋雨，加了很厚的過(guò)濾網(wǎng)，導(dǎo)致電源模塊內(nèi)部高頻隔離變壓器發(fā)熱異常嚴(yán)重，同樣對(duì)高頻隔離變壓器的絕緣設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

從國(guó)內(nèi)外電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊設(shè)計(jì)來(lái)看，高頻隔離變壓器普遍采用2～3層的絕緣膠帶進(jìn)行初次級(jí)的絕緣設(shè)計(jì)。從國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，高頻隔離變壓器初次級(jí)可以滿(mǎn)足基本絕緣或加強(qiáng)絕緣的絕緣設(shè)計(jì)，即滿(mǎn)足1.5～3kVac的工頻耐壓測(cè)試。電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊的不斷應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)高頻隔離變壓器的絕緣設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

目前的設(shè)計(jì)和應(yīng)用往往不能滿(mǎn)足高頻隔離變壓器的可靠應(yīng)用。因此，通過(guò)一種新的高頻隔離變壓器絕緣設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一款絕緣良好的隔離變壓器，減少絕緣損壞，防止發(fā)生電源模塊炸機(jī)著火等電氣安全故障。

1高頻隔離變壓器絕緣材料的選型
電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊內(nèi)部的高頻隔離變壓器，其絕緣材料用于隔離內(nèi)部帶電體和不同電位之間的導(dǎo)體，因此絕緣材料的選型是設(shè)計(jì)絕緣良好的高頻變壓器的重要一環(huán)。

常用高頻隔離變壓器按絕緣部件和繞組類(lèi)型可分為CLASSA、B、E、F等級(jí)（見(jiàn)表1）。根據(jù)高頻隔離變壓器不同的絕緣等級(jí)和類(lèi)型，選擇絕緣配合良好的變壓器絕緣系統(tǒng)材料，絕緣材料的溫度等級(jí)應(yīng)與不同絕緣等級(jí)的變壓器溫度等級(jí)相適應(yīng)。

2高頻隔離變壓器的溫度應(yīng)力
高頻隔離變壓器是電動(dòng)車(chē)輛充電電源模塊電路中最重要的功率變換部件，承受高電壓，大電流，發(fā)熱嚴(yán)重，使得高頻隔離變壓器的絕緣材料發(fā)生熱降解，導(dǎo)致老化，最終使得絕緣材料的絕緣性能和機(jī)械性能降低。高頻隔離變壓器在正常使用最嚴(yán)酷條件下的溫度應(yīng)力及在異常條件下承受的短路和過(guò)載下的溫度應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)的變壓器絕緣等級(jí)和溫度降額要求。因此，溫度應(yīng)力也是設(shè)計(jì)絕緣良好的高頻隔離變壓器的重要因素，根據(jù)表1注a，不同絕緣等級(jí)的高頻隔離變壓器，變壓器的溫度驗(yàn)證結(jié)果應(yīng)為最大溫度限值減去10℃。
3高頻隔離變壓器的機(jī)械應(yīng)力
電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊，一般功率較大，高頻隔離的變壓器線(xiàn)徑較粗。高頻隔離變壓器在繞制過(guò)程中，繞組線(xiàn)和絕緣膠帶之間存在較大的機(jī)械應(yīng)力，且使用的絕緣膠帶都為薄層絕緣材料，常用規(guī)格為0.05mm厚度，容易受到損壞，再加上變壓器本身承受的熱應(yīng)力和電應(yīng)力的共同作用下，特別是在電壓和頻率較高的情況下，較硬的繞組線(xiàn)和絕緣膠帶之間會(huì)產(chǎn)生磨損甚至損壞，最終導(dǎo)致絕緣失效，見(jiàn)圖1所示。

因此，減小機(jī)械應(yīng)力也是設(shè)計(jì)絕緣良好高頻變壓器的重要方法。因此采用一種方法，在高頻隔離變壓器繞組線(xiàn)的外被增加一層繞制的絕緣膠帶，并且絕緣膠帶的繞制重合度大于50%，用來(lái)改善較硬較粗的繞組線(xiàn)和絕緣膠帶之間的機(jī)械應(yīng)力。
4高頻隔離變壓器的絕緣防護(hù)要求
在電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊內(nèi)，高頻隔離變壓器輸入和輸出都為高壓帶電部件，如一般電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊輸入380～400Vac,輸出750～1000Vdc。從IEC61851-23電動(dòng)車(chē)輛充電模塊的安全標(biāo)準(zhǔn)6.101.1.1看出，高頻隔離變壓器初次級(jí)絕緣可設(shè)計(jì)為基本絕緣或加強(qiáng)絕緣，因此從一般防護(hù)考慮，很多直流充電模塊設(shè)計(jì)上往往采用一層絕緣膠帶或兩層絕緣膠帶進(jìn)行防護(hù)，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)絕緣防護(hù)的要求。但在電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊實(shí)際使用過(guò)程中，承受較大的電壓，機(jī)械，溫度應(yīng)力，因此從絕緣防護(hù)的可靠性角度考慮，初次級(jí)需要至少用3層絕緣膠帶來(lái)壓制或繞制層數(shù)大于3層或繞制和壓制總的絕緣膠帶的層數(shù)至少3層,滿(mǎn)足加強(qiáng)絕緣的防護(hù)要求。
5高頻隔離變壓器的電壓和頻率應(yīng)力
5.1高頻隔離變壓器的電壓應(yīng)力
電動(dòng)車(chē)輛高頻隔離變壓器初次級(jí)承受較大的電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生局部放電，局部放電產(chǎn)生臭氧，導(dǎo)致絕緣材料發(fā)生臭氧裂解，最終導(dǎo)致絕緣材料性能發(fā)生不可逆的電老化。
功率較大（如20/30kW）的高頻隔離變壓器初級(jí)或次級(jí)，由于電流較大，初級(jí)或次級(jí)往往采用銅帶進(jìn)行功率傳輸，導(dǎo)致初次級(jí)之間寄生電容較大。為了提高轉(zhuǎn)換效率，開(kāi)關(guān)電源變壓器工作頻率較高，因此在變壓器隔離兩端會(huì)出現(xiàn)較大的高頻共模電壓。20kW充電電源模塊的某拓?fù)?、某種高頻變壓器繞制方法下，變壓器初次級(jí)隔離兩端能產(chǎn)生接近1.8kV，200kHz的高頻峰值電壓。高頻隔離變壓器在這種高頻峰值電壓及初次級(jí)寄生電容作用下，由導(dǎo)電和緩慢松弛極化引起，使得電介質(zhì)中的電能將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，最終可能導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生擊穿。
5.2高頻隔離變壓器的頻率影響
隨著開(kāi)關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越高速的MOS開(kāi)關(guān)應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊內(nèi)，這樣導(dǎo)致高頻隔離變壓器兩端會(huì)承受更高頻率的峰值工作電壓。
頻率小于30kHz的頻率范圍內(nèi)，頻率的變化對(duì)絕緣材料的絕緣特性影響較小，按1～4節(jié)進(jìn)行高頻隔離變壓器的絕緣設(shè)計(jì)和選型，產(chǎn)品電氣安全標(biāo)準(zhǔn)一般按工頻耐壓來(lái)評(píng)估高頻隔離變壓器的絕緣耐受特性。實(shí)際情況是目前的高頻隔離變壓器兩端峰值工作電壓的頻率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了30kHz。在30kHz以上，絕緣材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)與頻率關(guān)系影響加大，（見(jiàn)圖2，來(lái)源IEC60664-4）可以看出，隨著頻率的提高，絕緣材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低，在200kHz的頻率下，大約降低到工頻擊穿電壓的30%；1MHz的頻率下，大約降低到工頻擊穿電壓的10%。

5.3高頻隔離變壓器的耐高頻高壓絕緣防護(hù)設(shè)計(jì)
頻率較低（小于30kHz）的場(chǎng)合，由于擊穿場(chǎng)強(qiáng)衰減較小，一般按工頻電壓來(lái)評(píng)估和設(shè)計(jì)高頻隔離變壓器的絕緣。但在開(kāi)關(guān)頻率較高的場(chǎng)合，需要對(duì)高頻隔離變壓器的絕緣進(jìn)行特殊的絕緣設(shè)計(jì)計(jì)算，即在高頻隔離變壓器三層絕緣膠帶設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，加上頻率影響因素，決定絕緣繞組之間絕緣膠帶的最終設(shè)計(jì)層數(shù)，最終設(shè)計(jì)的高頻隔離變壓器初次級(jí)繞組之間的絕緣膠帶繞制或壓制層數(shù)大于或等于3層。
（1）電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊的系統(tǒng)絕緣結(jié)構(gòu)。電動(dòng)車(chē)輛直流充電電源模塊的絕緣結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中1為高頻隔離主功率變壓器絕緣位置，其中2高頻隔離輔助電源變壓器絕緣位置。主功率變壓器用于隔離交流輸入和直流輸出，輔助電源變壓器用于隔離初級(jí)和次級(jí)的控制供電系統(tǒng)。

高頻隔離主功率變壓器的繞制圖如圖4所示，其中N1為初級(jí)，N2，N3為次級(jí)。通過(guò)測(cè)量得知，N1與N2，N1與N3之間最大的峰值電壓為1.8kV,頻率近200kHz。
（2）確定變壓器絕緣膠帶的工頻電壓擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ep。高頻隔離主功率變壓器耐高頻高壓絕緣防護(hù)設(shè)計(jì)首先需要確定絕緣膠帶的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)，輔助電源變壓器類(lèi)似。
不同的絕緣材料具有不同的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。電動(dòng)車(chē)輛充電電源模塊高頻隔離變壓器內(nèi)部常使用聚酰亞胺絕緣膠帶作為初次級(jí)繞組之間的電氣絕緣，從聚酰亞胺絕緣膠規(guī)格書(shū)得知，其工頻電壓擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為Ep＝80kV/mm。
（3）確定絕緣膠帶的高頻電壓擊穿場(chǎng)強(qiáng)EF。根據(jù)不同材料絕緣膠帶的電場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算不同頻率下對(duì)應(yīng)絕緣材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度EF，不同頻率下，材料的絕緣衰減系數(shù)KR不同，越高頻率下，材料的絕緣特性會(huì)越弱（見(jiàn)圖2）。如200kHz的頻率下，一般絕緣材料的衰減系數(shù)KR大約為0.3，如式（1）。

因此，在200kHZ頻率下，聚酰亞胺絕緣膠帶的擊穿場(chǎng)強(qiáng)EF為式（2）。

（4）確定單層絕緣膠帶的擊穿電壓Vw。根據(jù)不同頻率下絕緣材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度及絕緣材料的厚度d（如常規(guī)使用的聚酰亞胺絕緣膠帶厚度0.05mm），計(jì)算單層絕緣材料的擊穿電壓Vw，如式（3）所示。

因此，單層聚酰亞胺絕緣膠帶的擊穿電壓Vw為式（4）。

（5）確定加強(qiáng)絕緣及高頻峰值電壓下高頻隔離變壓器承受的電壓VRW。加強(qiáng)絕緣下，高頻隔離變壓器需要承受的高頻電壓為VRW，VRW需要大于等于2.4倍的高頻峰值電壓VPK，如式（5）。

因此，在高頻隔離主功率變壓器初次級(jí)1.8kV,200kHz峰值電壓下,變壓器初次級(jí)隔離兩端需要承受的高頻設(shè)計(jì)電壓為式（6）。

（6）確定高頻峰值電壓下變壓器絕緣膠帶的層數(shù)。絕緣膠帶的層數(shù)n，n需要滿(mǎn)足式（7）的條件。如果計(jì)算的層數(shù)大于3層，則按計(jì)算層數(shù)設(shè)計(jì)；如小于3層，則按最小3層絕緣膠帶設(shè)計(jì)，如式（7）所示。

因此，在高頻隔離主功率變壓器初次級(jí)1.8kV，200kHz峰值電壓下，絕緣膠帶設(shè)計(jì)層數(shù)為式（8）所示。

因此，某款電動(dòng)車(chē)輛直流充電模塊高頻隔離主功率變壓器兩端峰值電壓1.8kV，頻率200kHz的條件下，設(shè)計(jì)的聚酰亞胺絕緣膠帶層數(shù)應(yīng)為4層。
6高頻隔離變壓器的絕緣驗(yàn)證
高頻隔離變壓器在固體絕緣附近很難保證電場(chǎng)強(qiáng)度完全均勻性，絕緣材料內(nèi)部存在空隙及分層絕緣系統(tǒng)中存在的空氣間隙，當(dāng)電壓遠(yuǎn)低于擊穿電壓時(shí)，即可能發(fā)生局部放電現(xiàn)象，從而使得間隙內(nèi)的氣體在較短的時(shí)間內(nèi)形成導(dǎo)電性。這樣，絕緣性能則由固體絕緣的其余部分繼續(xù)維持，長(zhǎng)此以往，最終造成系統(tǒng)內(nèi)幾乎所有固體絕緣材料的損壞。
為了確定設(shè)計(jì)的高頻隔離主功率變壓器良好的絕緣耐受能力，進(jìn)行工頻電壓試驗(yàn)和高頻電壓試驗(yàn)。將設(shè)計(jì)好的4層聚酰亞胺絕緣膠帶的高頻隔離主功率變壓器，將其初級(jí)短路，次級(jí)短路，然后通過(guò)絕緣耐壓測(cè)試儀，在初次級(jí)之間施加3kVac的工頻電壓，試驗(yàn)電壓在5s內(nèi)升到要求的值，試驗(yàn)時(shí)間1分鐘，試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。其次，將高頻隔離主功率變壓器通過(guò)高頻高壓儀，在初次級(jí)之間施加4.32kV峰值電壓，200kHz的高頻高壓，試驗(yàn)時(shí)間
1min，試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。最終設(shè)計(jì)的高頻隔離變壓器通過(guò)了絕緣試驗(yàn)的驗(yàn)證。

7結(jié)語(yǔ)
高頻隔離變壓器兩端工作頻率小于30kHz的應(yīng)用場(chǎng)合，絕緣設(shè)計(jì)按1～4節(jié)進(jìn)行。按加強(qiáng)絕緣設(shè)計(jì)絕緣膠帶層數(shù)，即至少3層絕緣膠帶。驗(yàn)證方法用工頻耐電壓3kVac來(lái)驗(yàn)證變壓器的絕緣性能，保證絕緣設(shè)計(jì)的可靠性。
高頻隔離變壓器兩端工作頻率大于30kHz的應(yīng)用場(chǎng)合，絕緣設(shè)計(jì)按1～5節(jié)進(jìn)行。頻率因素的影響需要考慮，根據(jù)頻率和峰值電壓的大小設(shè)計(jì)絕緣膠帶的層數(shù)，要求絕緣膠帶的設(shè)計(jì)層數(shù)大于或至少3層。驗(yàn)證方法上除了要求的工頻3000Vac耐壓之外，還需要通過(guò)高頻電壓試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，保證絕緣設(shè)計(jì)的可靠性。
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