熔融增材高压电源高频变压器设计

一、引言
熔融增材制造技术（如选择性激光熔化、电子束熔融）通过高能束熔化金属粉末实现零件成型，高压电源作为高能束发生装置的能量核心，其性能直接影响成型质量。高频变压器是高压电源的关键部件，承担电压变换与能量传输功能，其设计质量决定电源的转换效率、体积与可靠性。传统工频变压器因体积大、损耗高，无法满足熔融增材设备对电源轻量化、高效化的需求，而高频变压器通过提升工作频率（通常≥20kHz），可显著减小体积与重量，同时降低铜损与铁损，因此开展熔融增材高压电源高频变压器针对性设计具有重要意义。
二、高频变压器设计关键技术
（一）拓扑结构与工作参数确定
根据熔融增材高压电源的功率需求（通常为 1kW~10kW）与输出电压等级（0kV~80kV），选择移相全桥拓扑作为电源主电路拓扑，该拓扑具有开关损耗低、输出纹波小的优势，适合高频高压场景。基于拓扑结构确定高频变压器的核心工作参数：
1.工作频率 f：综合考虑铁损（随频率升高而增大）与体积（随频率升高而减小），选取 f=50kHz，此时铁损与体积达到平衡；
1.输入电压 Vin：直流母线电压，根据电源设计需求确定为 380V；
1.输出电压 Vout：根据电子束或激光发生装置需求，确定为 60kV；
1.额定功率 P：根据增材设备最大能量需求，确定为 5kW；
1.变比 n：根据理想变压器变比公式 n=Vout/(Vin×D)（D 为占空比，取值 0.4~0.5），计算得 n≈316（取整数 320，考虑漏感与铜损的影响预留余量）。
（二）磁芯材料选型与磁芯结构设计
磁芯是高频变压器的核心磁路部件，其材料性能直接影响变压器损耗与磁导率。针对熔融增材高压电源高频、高压、高功率的特点，磁芯材料选用高频铁氧体材料（如 PC44 材质），其具有高饱和磁密（Bs≥0.45T）、低损耗（在 50kHz、0.2T 条件下，损耗≤300mW/cm³）、高磁导率（μ≥2500）的优势，适合高频工况。
磁芯结构选用 EE 型磁芯，相较于 EI 型磁芯，其磁路对称性好，漏磁小；磁芯尺寸根据功率与损耗计算确定：首先根据功率公式\(P_{core} = k \cdot f \cdot B_m^{2} \cdot V_{core}\)（k 为材料系数，B_m 为工作磁密，V_core 为磁芯体积），结合允许的铁损（通常≤总损耗的 30%），计算得磁芯体积 V_core≥200cm³；再根据 EE 型磁芯标准尺寸系列，选取 EE85 型磁芯（截面积 S=56mm²，磁路长度 l=250mm），满足体积与损耗要求。
（三）绕组设计与绝缘处理
绕组设计需兼顾铜损控制、绝缘性能与散热需求，是高频变压器设计的核心难点。
1.导线选型：高频下导线存在趋肤效应与邻近效应，导致电流集中在导线表面，增大铜损。采用多股漆包线（利兹线），股数根据趋肤深度计算确定：趋肤深度\(\delta = \sqrt{\frac{\rho}{\pi f \mu_0}}\)（ρ 为铜的电阻率，μ_0 为真空磁导率），在 50kHz 时 δ≈0.2mm，因此选取股线直径为 0.18mm 的利兹线，股数为 100 股，总截面积 S=π×(0.18/2)²×100≈2.54mm²，满足载流量需求（额定电流 I=P/Vin≈13.2A，电流密度 J=I/S≈5.2A/mm²，在允许范围内）。
1.绕组结构：采用分层分段绕制方式，原边绕组（低压侧）与副边绕组（高压侧）分层排列，避免高压击穿；副边绕组因电压高（60kV），采用分段绕制，每段电压控制在 5kV 以内，减少段间电压差；同时在原副边绕组之间设置屏蔽层（采用铜箔），降低漏磁与电磁干扰。
1.绝缘设计：高压侧绕组需满足严格的绝缘要求，采用多层绝缘结构：导线绝缘采用聚酰亚胺漆包线，耐温等级为 H 级（≥180℃）；层间绝缘采用聚酰亚胺薄膜（厚度 0.1mm，击穿电压≥10kV）；绕组与磁芯之间采用环氧玻璃布管（厚度 1mm，击穿电压≥20kV）；同时控制绕组爬电距离（≥5mm/kV），确保在 60kV 高压下无击穿风险。
（四）漏感与分布电容控制
漏感过大会导致开关管电压尖峰，分布电容过大会影响高频下的电压波形，因此需采取措施控制漏感与分布电容。
1.漏感控制：采用紧密绕制方式，确保绕组与磁芯紧密贴合；原副边绕组采用交错绕制（原边绕制 1 层后，绕制副边 1 段，依次交替），减小绕组间的磁阻；通过有限元仿真（如 ANSYS Maxwell）优化绕组布局，仿真结果显示漏感值可控制在 5μH 以内（≤原边电感的 5%）。
1.分布电容控制：副边绕组分段绕制，每段之间设置接地屏蔽层，减少段间分布电容；选用低介电常数的绝缘材料（如聚四氟乙烯，介电常数 ε_r≈2.1），降低绝缘层的分布电容；通过仿真优化绕组间距，使分布电容控制在 100pF 以内，避免高频下出现谐振现象。
（五）散热设计
高频变压器在运行过程中产生的铜损与铁损会导致温度升高，若散热不及时，会影响绝缘性能与使用寿命。采用一体化散热结构：将磁芯与绕组浸泡在变压器油（耐高压、高导热的矿物油，击穿电压≥100kV，导热系数≥0.15W/(m・K)）中，通过油冷方式带走热量；同时在变压器外壳设置散热鳍片，增大散热面积；外壳材质选用铝合金，提升导热效率。通过热仿真分析，在额定功率下，变压器最高温度≤100℃，满足绝缘材料的耐温要求。
三、设计验证与应用效果
（一）性能测试
对设计的高频变压器进行性能测试，测试结果如下：
1.变比：实际测试变比为 318，与设计值 320 的偏差≤1%，满足电压变换需求；
1.损耗：在额定功率、50kHz 工况下，铁损为 120W，铜损为 180W，总损耗为 300W，转换效率≥94%（η=P/(P + 总损耗)≈5000/(5000+300)≈94.3%）；
1.漏感：测试漏感值为 4.2μH，小于设计允许值 5μH；
1.绝缘性能：在 1.5 倍额定电压（90kV）下进行耐压测试，持续 1 分钟，无击穿、闪络现象，绝缘性能合格。
（二）应用效果
该高频变压器应用于熔融增材高压电源后，电源整体性能得到显著提升：电源体积较传统工频电源减小 60%，重量减轻 50%，满足增材设备轻量化需求；电源转换效率从传统的 85% 提升至 92%，降低能耗；在熔融增材打印实验中，电源输出电压纹波系数≤0.5%，确保激光能量稳定，打印件熔池形态均匀，尺寸精度误差≤0.2mm，力学性能达标。
四、结论
熔融增材高压电源高频变压器通过合理的磁芯选型、绕组设计、绝缘处理与散热优化，解决了传统变压器体积大、损耗高、绝缘性能差的问题，满足了熔融增材设备对电源高效化、轻量化、高可靠性的需求。该设计方案为熔融增材高压电源的性能提升提供了关键支撑，未来可进一步探索新型磁芯材料（如非晶合金）与先进绕制工艺，进一步降低损耗，提升功率密度。