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電動車輛直流充電模塊高頻變壓器絕緣設計方法
2021-09-29 13:47:43· 來源：電動學堂 作者：趙英軍等
文章來源：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引言電動車輛直流充電電源模塊初級和次級之間一般采用高頻隔離變壓器進行電氣絕緣和隔離
文章來源：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
電動車輛直流充電電源模塊初級和次級之間一般采用高頻隔離變壓器進行電氣絕緣和隔離設計。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。高開關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，對絕緣設計提出了更高的要求。高功率密度決定了電動車輛直流充電電源模塊體積更小，發(fā)熱更加嚴重，同樣對高頻隔離變壓器的電氣絕緣設計提出了更高的要求。
電動車輛直流充電電源模塊在充電站戶外應用時，外部承受高溫，內(nèi)部高頻隔離變壓器發(fā)熱更加嚴重。其次充電站為了防止戶外灰塵、煙霧和淋雨，加了很厚的過濾網(wǎng)，導致電源模塊內(nèi)部高頻隔離變壓器發(fā)熱異常嚴重，同樣對高頻隔離變壓器的絕緣設計提出了挑戰(zhàn)。
從國內(nèi)外電動車輛直流充電電源模塊設計來看，高頻隔離變壓器普遍采用2～3層的絕緣膠帶進行初次級的絕緣設計。從國內(nèi)外標準來看，高頻隔離變壓器初次級可以滿足基本絕緣或加強絕緣的絕緣設計，即滿足1.5～3kVac的工頻耐壓測試。電動車輛直流充電電源模塊的不斷應用和發(fā)展，對高頻隔離變壓器的絕緣設計提出了更高的要求。
目前的設計和應用往往不能滿足高頻隔離變壓器的可靠應用。因此，通過一種新的高頻隔離變壓器絕緣設計方法，設計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
電動車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體，因此絕緣材料的選型是設計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型可分為CLASSA、B、E、F等級（見表1）。根據(jù)高頻隔離變壓器不同的絕緣等級和類型，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應與不同絕緣等級的變壓器溫度等級相適應。
2高頻隔離變壓器的溫度應力
高頻隔離變壓器是電動車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)熱嚴重，使得高頻隔離變壓器的絕緣材料發(fā)生熱降解，導致老化，最終使得絕緣材料的絕緣性能和機械性能降低。高頻隔離變壓器在正常使用最嚴酷條件下的溫度應力及在異常條件下承受的短路和過載下的溫度應力應滿足對應的變壓器絕緣等級和溫度降額要求。因此，溫度應力也是設計絕緣良好的高頻隔離變壓器的重要因素，根據(jù)表1注a，不同絕緣等級的高頻隔離變壓器，變壓器的溫度驗證結果應為最大溫度限值減去10℃。
3高頻隔離變壓器的機械應力
電動車輛直流充電電源模塊，一般功率較大，高頻隔離的變壓器線徑較粗。高頻隔離變壓器在繞制過程中，繞組線和絕緣膠帶之間存在較大的機械應力，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力和電應力的共同作用下，特別是在電壓和頻率較高的情況下，較硬的繞組線和絕緣膠帶之間會產(chǎn)生磨損甚至損壞，最終導致絕緣失效，見圖1所示。
因此，減小機械應力也是設計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%，用來改善較硬較粗的繞組線和絕緣膠帶之間的機械應力。
4高頻隔離變壓器的絕緣防護要求
在電動車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，如一般電動車輛直流充電電源模塊輸入380～400Vac,輸出750～1000Vdc。從IEC61851-23電動車輛充電模塊的安全標準6.101.1.1看出，高頻隔離變壓器初次級絕緣可設計為基本絕緣或加強絕緣，因此從一般防護考慮，很多直流充電模塊設計上往往采用一層絕緣膠帶或兩層絕緣膠帶進行防護，滿足標準對絕緣防護的要求。但在電動車輛直流充電電源模塊實際使用過程中，承受較大的電壓，機械，溫度應力，因此從絕緣防護的可靠性角度考慮，初次級需要至少用3層絕緣膠帶來壓制或繞制層數(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,滿足加強絕緣的防護要求。
5高頻隔離變壓器的電壓和頻率應力
5.1高頻隔離變壓器的電壓應力
電動車輛高頻隔離變壓器初次級承受較大的電場，在電場作用下會產(chǎn)生局部放電，局部放電產(chǎn)生臭氧，導致絕緣材料發(fā)生臭氧裂解，最終導致絕緣材料性能發(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或次級，由于電流較大，初級或次級往往采用銅帶進行功率傳輸，導致初次級之間寄生電容較大。為了提高轉換效率，開關電源變壓器工作頻率較高，因此在變壓器隔離兩端會出現(xiàn)較大的高頻共模電壓。20kW充電電源模塊的某拓撲、某種高頻變壓器繞制方法下，變壓器初次級隔離兩端能產(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寄生電容作用下，由導電和緩慢松弛極化引起，使得電介質中的電能將轉變?yōu)闊崮?，最終可能導致電介質發(fā)生擊穿。
5.2高頻隔離變壓器的頻率影響
隨著開關技術的不斷發(fā)展，越來越高速的MOS開關應用于電動車輛直流充電電源模塊內(nèi)，這樣導致高頻隔離變壓器兩端會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)，頻率的變化對絕緣材料的絕緣特性影響較小，按1～4節(jié)進行高頻隔離變壓器的絕緣設計和選型，產(chǎn)品電氣安全標準一般按工頻耐壓來評估高頻隔離變壓器的絕緣耐受特性。實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遠超過了30kHz。在30kHz以上，絕緣材料的擊穿場強與頻率關系影響加大，（見圖2，來源IEC60664-4）可以看出，隨著頻率的提高，絕緣材料的擊穿場強降低，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設計
頻率較低（小于30kHz）的場合，由于擊穿場強衰減較小，一般按工頻電壓來評估和設計高頻隔離變壓器的絕緣。但在開關頻率較高的場合，需要對高頻隔離變壓器的絕緣進行特殊的絕緣設計計算，即在高頻隔離變壓器三層絕緣膠帶設計的基礎上，加上頻率影響因素，決定絕緣繞組之間絕緣膠帶的最終設計層數(shù)，最終設計的高頻隔離變壓器初次級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）電動車輛直流充電電源模塊的系統(tǒng)絕緣結構。電動車輛直流充電電源模塊的絕緣結構如圖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和次級的控制供電系統(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，N2，N3為次級。通過測量得知，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強Ep。高頻隔離主功率變壓器耐高頻高壓絕緣防護設計首先需要確定絕緣膠帶的工頻擊穿場強，輔助電源變壓器類似。
不同的絕緣材料具有不同的擊穿場強。電動車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繞組之間的電氣絕緣，從聚酰亞胺絕緣膠規(guī)格書得知，其工頻電壓擊穿場強約為Ep＝80kV/mm。
（3）確定絕緣膠帶的高頻電壓擊穿場強EF。根據(jù)不同材料絕緣膠帶的電場強度，計算不同頻率下對應絕緣材料的擊穿電場強度EF，不同頻率下，材料的絕緣衰減系數(shù)KR不同，越高頻率下，材料的絕緣特性會越弱（見圖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強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強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1.8kV,200kHz峰值電壓下,變壓器初次級隔離兩端需要承受的高頻設計電壓為式（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需要滿足式（7）的條件。如果計算的層數(shù)大于3層，則按計算層數(shù)設計；如小于3層，則按最小3層絕緣膠帶設計，如式（7）所示。
因此，在高頻隔離主功率變壓器初次級1.8kV，200kHz峰值電壓下，絕緣膠帶設計層數(shù)為式（8）所示。
因此，某款電動車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，設計的聚酰亞胺絕緣膠帶層數(shù)應為4層。
6高頻隔離變壓器的絕緣驗證
高頻隔離變壓器在固體絕緣附近很難保證電場強度完全均勻性，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，當電壓遠低于擊穿電壓時，即可能發(fā)生局部放電現(xiàn)象，從而使得間隙內(nèi)的氣體在較短的時間內(nèi)形成導電性。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。
為了確定設計的高頻隔離主功率變壓器良好的絕緣耐受能力，進行工頻電壓試驗和高頻電壓試驗。將設計好的4層聚酰亞胺絕緣膠帶的高頻隔離主功率變壓器，將其初級短路，次級短路，然后通過絕緣耐壓測試儀，在初次級之間施加3kVac的工頻電壓，試驗電壓在5s內(nèi)升到要求的值，試驗時間1分鐘，試驗結果，如表2所示。其次，將高頻隔離主功率變壓器通過高頻高壓儀，在初次級之間施加4.32kV峰值電壓，200kHz的高頻高壓，試驗時間
1min，試驗結果，如表2所示。最終設計的高頻隔離變壓器通過了絕緣試驗的驗證。
7結語
高頻隔離變壓器兩端工作頻率小于30kHz的應用場合，絕緣設計按1～4節(jié)進行。按加強絕緣設計絕緣膠帶層數(shù)，即至少3層絕緣膠帶。驗證方法用工頻耐電壓3kVac來驗證變壓器的絕緣性能，保證絕緣設計的可靠性。
高頻隔離變壓器兩端工作頻率大于30kHz的應用場合，絕緣設計按1～5節(jié)進行。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計絕緣膠帶的層數(shù)，要求絕緣膠帶的設計層數(shù)大于或至少3層。驗證方法上除了要求的工頻3000Vac耐壓之外，還需要通過高頻電壓試驗進行驗證，保證絕緣設計的可靠性。
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