很多设计师将许多设计中的变压器当成是“普通”电阻一样看待。他们只是选择一种能够满足电路需要的器件,即利用两个绕组之间的互感来将电能从一个电路转换到没有直接电气连接的另一个电路,同时满足系统设计中必要的隔离电压要求。但对变压器来说作用远不止这些。

在今年的APEC会议上,我有幸采访了Bicron Electronics公司的营销总监Kevin Bradley。这家公司是一家位于美国康乃迪克州的高可靠性定制磁性器件的制造商。他们最近宣布他们的VoltBoss无电晕变压器产品线取得了重大改进。为什么无电晕很重要呢?

首先,大多数工程师在听到电晕这个术语时想到的是高压传输线。你听说过电晕起晕(Corona Bloom)吗?——它是一种有害的局部放电效应,是导致磁性器件发生故障的主要原因。Bicron公司开发的新一代VoltBoss变压器旨在消除高达4.5kV电压的电晕故障(电介质击穿),而它的外形尺寸令人惊讶——只有1平方英寸。

许多设计师经常错误地认为这种现象只与大的高压磁性器件有关,但在低至300V的工作环境中,只要设备必须在整个生命期——通常几十年内可靠工作,那么这种现象对设备中使用的较小磁性器件来说同样重要。

电晕是由于电极/导体周围的介质(通常是空气)电离引起的。它是电压及周边的相对湿度和空气密度的函数。在一个绝缘系统中,若电压超过某个临界值,便会引起气体电离,进而产生局部放电,并引发电晕。这个电压临界值以前都假设是大约1kV,但在实际应用中它甚至可以低至300V。

电晕起始电压指的是,当施加的电压逐渐升高时,发生规定脉冲幅度的连续电晕时的最低电压。电晕起始电压随着所加电压频率的增加而下降。电晕可能在低至300V的应用中发生。

电晕熄灭电压是指,当施加的电压从高于电晕起始电压值逐渐下降时,规定脉冲幅度的连续电晕不再发生时的最高电压。因此一旦开始发生电晕,电压必须降下来才能让电晕消失。

电晕不仅仅是电场的函数。它取决于电极/导体的表面和曲率半径,也取决于相距导体/电极的电场的衰减率。因此,表面具有最小电场的导体并不是显而易见的方案。

导体的表面条件是一个重要因素。诸如灰尘、毛刺、划痕和潮湿等表面不规则问题都会进一步增强电晕效应。 Bicron公司最新的变压器平台的外形尺寸只有2立方英寸多点,重量只有2.5盎司,它可以达到<10pC@4.5kV的极低等级的局部放电规范。

这款变压器的制造工艺、专利材料和设计在尽量减少量产变压器的局部放电方面确保了一流的性能,Kevin Bradley告诉我。这种技术可以确保不发生因为不良设计、劣质材料以及偶然的内部结构质量而引起的现场故障。局部放电被认为是一种并不通过绝缘系统阴极和阳极之间路径的放电。Bicron公司指出,电晕是当电压等级增加到一个足以形成“电晕起晕”的水平时局部放电的进一步发展,这将严重威胁磁性器件本身以及采用磁性器件的系统的工作。

据Bradley透露,VoltBoss变压器已经在一些重要的美国用户和海外OEM厂商那里得到了现场应用,并且经过数千次的循环测试都没有发现问题。VoltBoss技术可以在极小的平台上达到200VA的额定功率、250V的输入电压、低于5pC的局部放电指标,并采用板载单元和更大的环形线圈组件实现。

在参观过Bicron公司在对变压器做什么,特别是他们是如何教育设计人员有关这些可能影响系统可靠性和功能但有时却被忽视的现象时,我对变压器有了一个全新的深刻认识。