旋转变压器开关应用

旋转变压器在开关电源上的应用

摘要：介绍了非接触式旋转高频链变压器在旋转机构电源上的应用，CRFT 的使用代替了传统的电能传递方式，即电刷电能传递方式，大大延长了旋转机构电源系统的使用寿命和使用可靠性。采用软开关技术，减少了电能在磁场中传递而进行变换产生的电磁干扰，解决了与静止供电完全没有物理接触的旋转电路的供电问题。实验证明，CRFT 完全可以在旋转机构供电场合代替电刷及滑环。

关键词：开关电源/ 非接触式旋转高频链变压器；旋转机构

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引言

任何电子设备都需要电源，旋转机构系统也是如此，如石油钻井、造纸机械、直升机旋翼等机构上的传感器及测试设备的供电，卫星、雷达等需要将电能传递到旋转用电设备的场合等。

以卫星电源为例，卫星在绕地球轨道运行的过程中，自身始终以一定的角速率旋转。而卫星的太阳能电池板为了最大限度地利用太阳能，必须始终正对太阳照射的向。随着卫星在轨道上位置的变化，伺服机构实时调节太阳能电池板的朝向。太阳能电池板和卫星星体之间的电能传递传统上是通过石墨电刷与铜制滑环之间的接触实现的。石墨电刷因相对运动产生磨损，从而导致碳粉的掉落、接触的松动、供电不稳以及产生电火花等不良影响，最终导致电刷与滑环脱离接触，无法完成供电，成为该类旋转机构电源寿命延长的瓶颈。

而使用非接触式旋转高频链变压器，则可以从根本上解决接触磨损的问题。美国在1996 年成功研制出传递功率达400 W 的非接触式旋转变压器电源，但使用的是400 Hz 的中频硅钢片变压器，重量较大。2002 年，欧洲和法国玛特拉宇航系统公司联合研制

出了传递功率达到100 W 的旋转高频链开关电源，该电源系统不仅可以传递电能，还可以传递19.2 k/s 的信息数据[1]。非接触式旋转高频链逆变器可用于所有需向旋转机

构提供电能的领域。

1 CRFT 的结构和基本原理

CRFT 的工作频率为100 kHz 左右，因此，变压器所使用的磁性材料为锰锌铁氧体，它具有磁导率和电阻率较高，矫顽力较低的特点。在实际应用中，使绕组产生激磁电流就能产生较高的磁感应强度，传递较大的功率，同时具有较小的铁耗和涡流损耗。

图1 示出在CRFT 内部绕组放置的位置系。为防止意外的摩擦，绕组之间相互留有间隙。磁心之间也留有相对运动的间隙。旋

转部分的绕组输出穿过旋转主轴连接着旋

转电路。静止绕组的输出需要经过磁心上的留孔引出。磁心外部包裹的金属护罩，既可防止灰尘落入气隙，影响变压器工作；又可抑制由气隙和输入输出导线带来的电磁干扰，还能增加旋转高频链变压器的机械强度。

图1 旋转高频链变压器的内部结构

CRFT 的初级因为直接与输入相连，故初级为静止状态；次级与旋转机构相连，故次级为旋转运动状态。因为直流输入在静止端，所以DC/DC 全桥变换器及其相关的控制、驱动电路在静止端，反馈通过反馈绕组来实现；在旋转次级有整流滤波电路、SPWM 逆变控制电路和输出逆变电路，相关电路的供电由另一路次级的输出绕组提供。

值得一提的是，CRFT 的磁心形状为罐形，罐形磁芯是磁芯在外，铜线在内的结构，内部有专门与罐形磁芯匹配的塑料骨架供绕组缠绕。罐形磁芯可以大大减小EMI 的产生，在相同的体积和重量内增加磁芯的有效横截面积，即传递较多的功率。缺点是内部

线圈散热不良，温升容易过高。

在初级绕组中通入交变电流，交变电流通过初级绕组在变压器中产生交变磁场，交变磁场在变压器的次级感应出感生电流，能量便由初级传递到了次级。

2 CRFT 的应用电路

图2 示出CRFT 的应用主电路结构，它由DC/DC全桥变换器、非接触式旋转高频变压器、SPWM 逆变器和输出滤波器组成[2]。

逆变器的主要结构为单向电压型高频链逆变器，其直流变换和逆变部分的控制相对独立，不需要同步。这在初次级绕组没有任何物理接触的场合无疑是一个非常重要的优点。

图2 主电路结构图

单向电压源高频环节逆变器具有单向功率流、三级功率变换（DC-HFAC-DC-LFAC）的特点，缺点是：功率变换环节较多，导致变换效率不高，特别是HFAC-DC 这一级需要的滤波电容和整流二极管随着输出功增大

体积明显增大，由于整流二极管需要缓冲电路，导致部分能量损失，使感性负载的驱动不佳。逆变器采用SPWM 控制策略，具有电路拓扑简洁、所需滤波元件小等特点[3]。整

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个电源系统的直流输入电压为（28.5±3）V，交流输出为单相115 V/400 Hz。图3 示出电源的系统结构。

图3 系统结构框图

输入的28.5 V 直流经过移相全桥DC/DC 变换之后，被升压到182 V，为下一级SPWM 逆变提供直流电压。经过单相桥式逆变电路进行SPWM 逆变，以及输出LC 滤波，升压之后的直流电压被逆变为115 V/400 Hz 的单相交流电输出。

为了提高效率，减小电源在空间的电磁干扰辐射，移相全桥DC/DC 变换器采用了软开关技术[4]。在增大开关频率、减小磁性元件重量和体积的同时，保证了效率和电磁兼容性的稳定。

旋转电路包括移相全桥DC/DC 变换器的整流电路、SPWM 逆变控制电路及逆变主电路、交流输出滤波电路和旋转部分的辅助电源电路。其中，SPWM 逆变控制电路采用了数字控制方式，利用查表的方式来实现SPWM 触发脉冲的生成。该电路具有独立的振荡源使得SPWM 的开关频率与DC/DC 变换的开关频率独立，容易实现载波比控制的输

出谐波消去。

3 实验分析

采用上述主电路结构和控制方式，研制了输出功率350 W，输出频率400 Hz，输出单相电压115 V，开关工作频率120 kHz 的原理样机。该电源输出频率稳定、输出谐波含量少、输出额定功率下无明显发热。旋转工况下电源输出有轻微抖动，电压调整率离设计要求有一定偏差，在改善初次级耦合状况后，问题得到了解决。图4 示出电源各工作点的主要波形。

图4 实验波形

4 结论

实验表明，CRFT 应用在旋转机构电源中，除实现了机械上的无磨损、免维护以外，在电气性能上也继承了开关电源体积小、重量轻、功率密度大、效率高的优点。可以预见，在不远的将来，基于旋转变压器的各种开关电源必将在各个领域崭露头角。

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