紧凑型 ESU 变压器：谐振电容器嵌入式

紧凑型 ESU 变压器：谐振电容器嵌入式

抽象

便携式电科学计算单元（ESU）需要轻量化的输出级，但仅输出变压器就重达 800-1500 克。本文将谐振部分嵌入磁芯间隙，从而缩短高压路径并降低回路电感。联合仿真结果表明，初级漏电流降低了 63%，次级漏电流降低了 62%。一个 400 瓦、400 千赫兹的样机在体积仅为原样机 64% 的情况下，效率达到了 94.7%，物料清单成本也降低了 14%。本文给出了等效电路、电科学计算对耦合的影响以及元件清单。

1. 引言

高频电化学工作站（ESU）已经从真空管发展到晶体管，再到数字控制。如今，两种市场趋势朝着不同的方向发展。台式电化学工作站的模式数量和功率都在增长。便携式和电池供电型电化学工作站的销量则在增长，预计到2028年将以每年近18%的速度增长。

外科医生在手术台上报告了手柄的重量限制。超过 400 克的手柄会导致手术时间超过 2 小时时患者疲劳。输出变压器重 800-1500 克，占系统总重量的 25-35%，因此它限制了整个设计的重量。

通常的解决方案是使用独立的变压器和谐振元件，但这会带来三方面的成本。这两个部件需要各自的空间和安装位置。连接它们的引线会引入 8-15 nH 的杂散电感，这会使谐振点发生偏移，并将耦合系数降至 0.89。手工绕制和粘合剂固定也会降低成品率。

本文将器件嵌入到磁芯间隙中，给出了等效电路、ESL 值、间隙布局、散热路径以及 400 W 原型机的测量数据。

2. 核心机制

2.1 变压器等效电路和功率密度

高频变压器可简化为T型网络。励磁电感并联在初级绕组上，两个漏感分别与每个绕组串联，一个变比为n:1的理想变压器为负载供电。铁芯能够承载的功率与其尺寸、频率和磁通量成正比：

P_v = k · f · B_max · J · A_w · A_c

其中，P_v 为功率密度，f 为工作频率，B_max 为峰值磁通密度，J 为电流密度，A_w 为窗口面积，A_c 为芯部横截面积。提高 f 会缩小芯部面积，但芯部损耗会随 f^1.5 增大，因此热量上升，冷却空间也会增大。

2.2 杂散电感来自哪里

在分立式电路中，谐振部分位于距离磁芯几厘米的支架上。引线长度加上绕组几何形状决定了漏电流。测得的初级漏电流为 185 nH，次级漏电流为 95 nH。一个回路 采样电阻 当前的轨迹证实了这两点。耦合系数最终为 0.89，而不是紧密堆积模型预测的 0.98。

漏感会使谐振点发生移动。实际的串联频率与回路中的总电感成正比：

f_actual = 1 / [2π√((L_leak + L_ESL) · C)]

其中，L_leak 为绕组漏电流，L_ESL 为器件电感，C 为串联电容，f_actual 为串联点。将 L_ESL 从 15 nH 降至 5 nH，频率偏移将下降约 7%。增益纹波的变化曲线与此相同，切频深度也随之变化。

2.3 部分 ESL 和耦合系数

器件电感会增加串联漏电流，因此封装类型决定了耦合系数。普通引线陶瓷器件的电感为 8-15 nH，会使耦合系数 k 降低 0.05-0.08。SMD 多层器件的电感为 0.5-2 nH，但其额定电压低于 2 kV。短引线 门把手电容 运行电流为 3-6 nH，k 值保持在 0.95 以上，电压范围为 10-30 kV。

最后一点决定了架构。嵌入式部件必须承受全部高电压，同时还要保持几纳亨的电势。只有短引线圆柱形结构才能同时满足这两个条件。

2.4 400W级拓扑结构选择

在电化学工作站（ESU）工作中，四种谐振拓扑结构较为常见。串联谐振变换器结构简单高效，但在轻载时调节性能较差。并联谐振变换器在空载时性能良好，但在轻载时效率会下降。LLC级变换器覆盖范围广，效率高，但需要精心设计。LCC级变换器增加了一个并联支路，在切割、混合和凝固三种工况下均能保持高效率。

当功率超过 400 瓦时，LCC 级的作用就凸显出来了，因为负载会在三个数量级的不同模式之间切换。串联支路决定谐振点，并联支路决定增益。 薄膜电容器 并联支路用于吸收大量能量，但串联支路需要低静电放电陶瓷部件来保持触点。

图 1 — 将谐振部分从支架移到磁芯间隙中，可将 15 nH 引线组减小到 3-6 nH，因此耦合系数保持在 0.96，串联点不再漂移。

3. 工程痛点

痛点 1：独立式设计触及了重量底线

重量取决于各个部件和安装支架，而不仅仅是核心部件。两个独立的模块需要支架、垫片和引线，每一项都会增加重量。这款 400W 的独立模块尺寸为 80 毫米 × 60 毫米 × 50 毫米，重量约为 850 克。只有移除支架和引线才能减轻重量。

痛点二：杂散电感会使谐振点发生偏移

将一个 15 nH 的引线连接到一个 4.7 nF 的串联元件上，会使串联点移动约 8%。在工作台上打开外壳对器件进行调谐后，引线会稳定下来，然后串联点再次移动。这会导致 ±8.5% 的频率偏差和 ±15% 的增益纹波，表现为不同器件之间的切频深度存在差异。

痛点3：密闭空间内的闷热

嵌入式布局缩短了电气路径，但也缩短了热路径。磁芯、绕组和元件都位于同一空间内，因此每个热源都会影响其他两个热源。如果没有预先规划好的路径，元件温度会超过额定值，导致电容下降。采用环氧树脂灌封和金属外壳后，测得的热点温度分别为：磁芯 68°C，元件 58°C，绕组 72°C。

4. 设计步骤

策略一：选择适用于 400 kHz 的核心材料

四种牌号涵盖了整个范围。PC40 和 PC44 的饱和磁通量均为 390 mT，其中 PC44 的损耗更低。PC95 和 3C95 的饱和磁通量均为 380 mT，损耗同样更低，并且 PC95 的居里点保持在 230 °C。对于 400 W 的磁芯单元，PC44 或 PC95 可将磁芯温升控制在 60 °C 以下。E70 磁芯在 LCC 级中承载 400 W 的功率。

策略二：设定公交车和高峰时段的转弯比例

该比率取决于输入总线、最大占空比、输出峰值和耦合：

n ≈ V_in_dc · D_max / (V_out_peak · k_coupling)

其中，V_in_dc 为输入母线电压，D_max 为最大占空比，V_out_peak 为峰值输出电压，k_coupling 为耦合系数，n 为匝数比。当输入电压为 48 Vdc，占空比为 0.9，峰值输出电压为 2000 V，且 k = 0.96 时，匝数比约为 1:44。

策略 3：调整系列部分的大小

串联分支设定了LCC舞台的谐振点：

f_s = 1 / (2π√(L_s · C_s))

其中 L_s 为串联电感，C_s 为串联电容，f_s 为串联频率。当 L_s = 50 µH 且 f_s = 400 kHz 时，C_s 约为 3.17 nF。4.7 nF 的电容值可以留出调谐余量，而不会使其接近极限值。

策略四：确定零件周围的间隙大小

该元件位于中心引脚的凹槽内，因此其本体和磁芯共用一个空间。凹槽长度取决于磁芯面积和目标电感值：

l_g = μ₀ · N_p² · A_e / L_m

其中 μ₀ 为真空磁导率，取值范围为 4π × 10⁻⁷ H/m；N_p 为初级匝数；A_e 为有效磁芯面积；L_m 为磁化电感；l_g 为气隙长度。在零件本体周围预留 0.5-1 mm 的间隙以便组装，并用高导电性环氧树脂填充该空间。高压引线需套上套管，爬电距离应保持在 8 mm/kV 或以上。

策略五：交错缠绕

将初级线圈和次级线圈交替叠放，顺序为初级线圈、次级线圈、初级线圈、次级线圈。这样磁场分布更均匀，漏电流降低，涡流损耗也随之降低。在次级线圈上使用利兹线可以减少趋肤效应。在初级线圈上使用铜箔可以分散热量。仅这一项改动就能显著降低漏电流。

策略六：规划热路径

热量会通过环氧树脂层、芯壳和外表面从铁芯、绕组和部件散失。在部件和铁芯之间填充环氧树脂，使间隙既能导电又能绝缘。然后让设备满载运行，并读取三个热点的温度。确保所有热点的温度都低于 125°C 的介电常数和铁芯的极限温度。

策略7：保持进程窗口

三个工艺步骤决定了最终的性能指标。首先，以可控张力缠绕利兹线，张力为 50-80 克，箔材张力为 300-500 克。然后在 100 Pa 或更低的真空环境下浸渍 30 分钟或更长时间，之后在 120 °C 下固化 4 小时。在真空条件下对灌封环氧树脂进行脱气处理，以防止气泡降低局部放电起始电压。最后，在 1.5 倍工作电压下进行 60 秒的 100% 高压充放电测试，漏电流限制为 1 µA。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压 HVDCT-472	20 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4.7 nF ±5%	1 MHz，1 V rms
ESL，短导联体	3-6 nH	1 MHz，导线长度 8 毫米
耦合系数，嵌入式部分	在0.95之上	400 kHz，满载
绝缘电阻	在 500 V 直流电压下，电阻大于 100 GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	-40°C至+ 125°C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 用于嵌入式间隙的高压电容器

这种嵌入式布局的优势在于，单个元件能够承载高电压，在高温下保持其额定值，并且几乎不增加电感。HVC 在东莞拥有一座 6000 平方米的自有工厂，专门生产用于此类应用的元件，电压范围从 1 kV 到 150 kV。

这里需要考虑的六个参数

• ESL 为 3-6 nH。HVDCT 短引线本体在 400 kHz 时保持耦合系数在 0.95 以上，因此嵌入式部分不会使回路失谐。
• 在 20 kV 电压下，电容为 4.7 nF。 HVDCT-472 涵盖 LCC 系列分支，调谐裕量高于 3.17 nF 目标。
• 精度为±5%。I级 N4700 介电常数在 -40 °C 到 +125 °C 范围内保持不变，因此随着核心温度升高，串联点保持不变。
• 在 1 MHz 频率下，损耗角正切 (tan δ) 低于 0.1%。低损耗使得器件在间隙内保持低温，因为间隙内的热路径较短。
• 匹配部件。 HVR-BSP 厚膜电阻器, 整流二极管并且，输出匹配的零件来自同一条生产线，并符合相同的散热方案。
• 与一线品牌交叉参考。HVC部件符合以下电气参数： 日前，Vishay，Murata 和 TDK 门把手系列，并在便携式 ESU 生产中大量运行。

交付和支持

标准件发货周期为 4-8 周，配套变压器组发货周期为 6-10 周。请提供功率等级、母线电压、开关频率和铁芯图纸。HVC 将在五个工作日内回复一份包含 400 kHz 下 ESL 和 ESR 数据的零件清单以及间隙布局说明。

6. 常见问题

Q1：嵌入式布局可以减轻多少重量？

400瓦版本重量从约850克降至约420克，减重51%。体积也从185立方厘米降至118立方厘米。这主要是由于去掉了支架和引线，而非采用了更小的磁芯。同样的E70磁芯依然能承受400瓦的功率。

Q2：为什么 ESL 部分如此重要？

因为它会增加串联绕组的漏电流。一个 15 nH 的引线与一个 4.7 nF 的串联元件配合使用，会使串联点移动约 8%，并将 k 值从 0.98 降至 0.89。一个 3-6 nH 的短引线体可以使 k 值保持在 0.95 以上，并将偏差减小到 2.1%。这就是调谐单元和漂移单元之间的区别。

Q3：400 kHz 频率下我应该选择哪种磁芯材料？

PC44 或 PC95。两者饱和磁场强度分别接近 390 mT 和 380 mT，PC95 的居里点保持在 230 °C。在 E70 磁芯中，两者在 400 W 功率下均能将磁芯温升控制在 60 °C 以下。PC40 的工作功率较低，但在此频率下运行温度更高。

Q4：如何设置间隙长度？

根据所需的磁化电感：l_g = μ₀ · N_p² · A_e / L_m。零件本体必须装入该间隙中，并留有 0.5-1 毫米的间隙，因此要根据零件直径和功率选择磁芯尺寸。用填充环氧树脂密封该间隙，并以 8 毫米/千伏的爬电距离对高压引线进行套管保护。

Q5：嵌入式部分运行温度会更高吗？

之所以能够实现这一点，是因为铁芯、绕组和部件共用一个体积。满载时的实测温度分别为：铁芯 68 °C，绕组 72 °C，部件 58 °C。这三个温度均低于 125 °C 的介电额定值。部件和铁芯之间的填充环氧树脂层起到了主要作用。

Q6：轻载时效率预期是多少？

增益最大。在 10% 负载下，离散架构的性能达到 74.2%，嵌入式架构达到 82.5%，提升了 8.3 个百分点。满载时，两者的性能分别达到 88.5% 和 94.7%。LCC 拓扑结构能够将性能分布在切割、混合和凝固三个阶段，因此它适用于多模式单元。

7。 参考

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, 医用电气设备——第1部分：基本安全和基本性能的一般要求日内瓦：IEC，2012。
2. IEC 60601-2-2:2017， 医用电气设备——第2-2部分：高频手术设备和高频手术附件的基本安全和基本性能的特殊要求日内瓦：IEC，2017。
3. IEC 60384-8， 电子设备用固定电容器——第8部分：陶瓷介质固定电容器，1类日内瓦：IEC，2015。
4. IEC 60270， 高压测试技术——局部放电测量日内瓦：IEC，2015。
5. RW 埃里克森和 D.马克西莫维奇， 电力电子学基础，第 3 版。Cham：Springer，2020 年。
6. Mohan, N.、Undeland, TM 和 Robbins, WP， 电力电子学：变换器、应用和设计，第 3 版。霍博肯，新泽西州：威利出版社，2003 年。
7. H. Wang 和 F. Blaabjerg， 电力电子变换器直流链路应用中电容器的可靠性概述IEEE工业应用学报，第50卷，第5期，第3569-3578页，2014年。https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. 弧形季节和板型设计观察 （关于高压电弧、焊剂残留和布局的技术说明），Johanson Dielectrics, Inc.，https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf。
9. GB/T 17702-2021， 电力电子电容器 （电力电子电容器）。北京：国家市场监督管理总局，2021。
10. Rashid, MH（编） 电力电子手册，第 4 版。牛津：Butterworth-Heinemann，2017 年。
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com