Mga Inobatibong at Karaniwang Estruktura ng Pagkakayari para sa 10kV High-Voltage High-Frequency Transformers

1.Mga Bagong Struktura ng Winding para sa 10 kV-Class na Mataas na Voltaje at Mataas na Prensiya na Transformer

1.1 Zoned at Partially Potted Ventilated Structure

• Ang dalawang U-shaped ferrite cores ay pinagsama upang mabuo ang isang magnetic core unit, o mas paunlarin pa upang maging serye/parallel na core modules. Ang primary at secondary bobbins ay inilagay sa kaliwa at kanan na tuwid na legs ng core, na may core mating plane bilang boundary layer. Ang mga winding ng parehong uri ay naka-group sa parehong bahagi. Ang Litz wire ang pinakamainam na materyal para sa winding upang mabawasan ang high-frequency losses.

• Ang high-voltage winding (o primary) lamang ang ganap na potted na may epoxy resin. Isinasama ang PTFE sheet sa pagitan ng primary at core/secondary upang matiyak ang reliable insulation. Ang ibabaw ng secondary ay sinasabal ng insulating paper o tape.

• Sa pamamagitan ng pagpanatili ng ventilation channels (gaps sa pagitan ng windings at sa pagitan ng secondary windings sa kaliwa at kanan na legs) at gaps sa pagitan ng magnetic cores, ang disenyo na ito ay malaki ang nag-iimprove sa heat dissipation habang binabawasan ang timbang at gastos, habang tinataas ang dielectric strength—ginagawang ito angkop para sa ≥10 kV isolation applications.

1.2 Modular Design at Grounded Litz Wire Electric Field Shielding

• Ang high-voltage at low-voltage winding modules ay hiwalay na potted at pagkatapos ay inilagay sa core unit. Ang air gaps ay pinapanatili sa pagitan ng mga module upang mapadali ang assembly at cooling, at ang mga nasirang module ay maaaring palitan nang individual sa panahon ng mga fault, na nagpapataas ng maintainability.

• Ang grounded Litz wire-based electric field shielding layers ay idinagdag sa inner at outer sides ng high-voltage winding. Ito ay nakakulong ang high-frequency electric field sa pangunahing rehiyon ng high-dielectric-strength epoxy-potted, na malaki ang nagbabawas ng partial discharge (PD) risk nang hindi kinakailangan ng sobrang winding spacing para sa electric field suppression.

• Ang Litz wire shielding layer ay maaaring iwanan open-circuited na may single-point grounding, na nag-aabot ng electric field shaping habang iniiwasan ang significant eddy current losses. Ang ventilation channels ay pinapanatili sa pagitan ng windings at core, na nagbibigay ng semi-ventilated cooling at miniaturization nang parehas.

1.3 Segmented Winding at Electric Field Shaping

• Idinagdag ang coaxial sleeves at segmentation ribs sa insulating bobbin, na nagbibigay-daan para sa primary at secondary windings na mag-interleave sa “segment groups.” Ito ay malaki ang nagbabawas ng inter-layer voltage gradients at equivalent parasitic capacitance, na nagpapababa ng conducted EMI at nagpapabuti ng uniformity ng voltage distribution.

• Ang bilang ng segments n at layer count ay matutukoy sa pamamagitan ng analytical o empirical formulas (halimbawa, n = −15.38·lg k₁ − 18.77, kung saan ang k₁ ay ang pinakamababang halaga sa primary/secondary self-capacitance at mutual capacitance ratios), na nagpapabuti ng optimal trade-off sa pagitan ng volume, leakage inductance, at parasitic capacitance—ideal para sa high-power, high-voltage, high-frequency operation.

1.4 Composite Windings at Integrated Water Cooling

• Ang core ay hinati sa dalawang winding zones. Ginagamit ang composite winding approach: ang unang composite winding (halimbawa, primary) ay inwind mula inner hanggang outer layers na may reserved leads; pagkatapos, sa ikalawang zone, ang pangalawang composite winding (halimbawa, secondary) ay inwind sa reverse gamit ang reserved leads. Ito ay nagpapalawak ng inter-layer gaps at nagbabawas ng residual charge, na nagpapabuti ng high-voltage reliability at lifespan.

• Ang relief slots ay ginawa sa outer core wall upang i-integrate ang non-contact water-cooling channels, na nagpapabuti ng thermal performance nang hindi nagdadala ng mechanical damage sa panahon ng assembly. Ang composite insulation ay gumagamit ng PI/PTFE laminates na inaarrange sa stepped configuration upang matiyak ang adequate creepage distance at high-quality potting fill.

1.5 Bagong Tekniko ng Winding at Pathways ng Loss Control

Idinudugtong ang PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) winding technology: sa pamamagitan ng optimized winding topology at layout, ang skin at proximity effects—and thus high-frequency losses—are significantly suppressed. Ito ay nagpapabuti ng coupling efficiency >99.5% sa reported cases, kasama ang 10 kV isolation capability, controllable leakage inductance, at low distributed capacitance—ginagawang ito angkop para sa customized 30–400 kW, 4–50 kHz high-voltage high-frequency applications.

2. Karaniwang Struktura ng Winding para sa 10 kV-Class na Mataas na Voltaje at Mataas na Prensiya na Transformer

2.1 Basic Winding Configurations at Application Scenarios

• Multi-layer cylindrical: Mature manufacturing process; madali ang paglagay ng inter-layer insulation at cooling channels; angkop para sa medium-to-high voltage continuous windings.

• Multi-segment layered: Maramihang axial segments na nahahati ng insulating paper rings; epektibong nagbabawas ng inter-layer voltage gradient at field concentration; karaniwang ginagamit sa HV windings upang mabawasan ang partial discharge.

• Continuous (disc-type): Binubuo ng maramihang disc sections na naka-stack axially; nagbibigay ng mahusay na mechanical strength at thermal performance; angkop para sa high-capacity/higher-voltage applications.

• Double-disc: Dalawang discs per group, konektado sa serye/parallel; ideal para sa high-current o special-purpose HV windings.

• Helical: Single/double/quadruple helix; simple structure; angkop para sa high-current LV windings o on-load tap-changing windings; limitado sa turn count.

• Aluminum foil cylindrical: Isa-isang pag-ikot bawat layer gamit ang aluminum foil; mataas na paggamit ng espasyo at pabor sa automatikong proseso; angkop para sa maliit hanggang katamtaman na HV windings.

Ang mga ito ay pamantayan na HV winding structures sa mga power transformers at kadalasang ina-adapt o in-iimprove para sa 10 kV-class high-voltage high-frequency transformers upang mapabuti ang insulation at thermal performance.

2.2 Typical Winding Layouts and Processes for High-Voltage High-Frequency Applications

• Concentric cylindrical (layered) arrangement: HV winding sa loob, LV sa labas (o kabaligtaran); multi-layer design na may inter-layer insulation upang ipamahagi ang mataas na potential differences; segmented layout maaaring gamitin upang i-optimize ang electric field distribution at PD performance.

• Segmentation and interleaving: HV winding nahahati sa maraming coils at inaayos sa staggered/segmented fashion upang bawasan ang inter-layer voltage gradient at parasitic capacitance, suppresin ang conducted EMI, at mapabuti ang voltage uniformity.

• Faraday and electrostatic shielding: Copper foil o conductive layers inilalagay sa pagitan ng primary/secondary o paligid ng mga winding, grounded sa isang punto, upang bawasan ang common-mode capacitance at coupling noise; ang shielding ay dapat tumutugon sa width ng winding at iwasan ang mga matigas na dulo na maaaring makasira sa insulation.

• Conductor and current density optimization: Litz wire, stranded conductors, o copper foil ang pinili para sa HV/high-current secondaries upang suppresin ang skin/proximity effects, bawasan ang AC resistance (Rac) at copper loss; ang current density (J) at temperature rise ay kontrolado sa loob ng window at safety regulation limits.

• Insulation and creepage design: Paggamit ng barriers, end margins, sleeved terminals, at combined inter-layer/inter-winding insulation; ang creepage distance at clearance ay disenyo ayon sa pollution degree at voltage class; vacuum impregnation/potting maaaring ilapat upang mapabuti ang dielectric strength at thermal conductivity.

Ang mga layout at process considerations na ito ay malapit na nauugnay sa balanse ng insulation level, parasitic parameters, at power rating—key to achieving reliable 10 kV isolation sa engineering practice.

2.3 Implementation Methods for High-Voltage Secondary Output (Strongly Dependent on Winding Structure)

• Voltage multiplier rectification: Multi-stage voltage doubling sa rectifier side nang siyentipikong bawasan ang voltage stress at parasitic capacitance per winding stage, nagpapadali ng insulation design. Gayunpaman, ito ay sensitibo sa load transients/short circuits at prone sa surge currents. Sa praktikal, hindi hihigit sa dalawang stages ang karaniwang ginagamit, nangangailangan ng current-limiting at protection strategies.

• Series/parallel combination: Ang secondary ay nahahati sa maraming coil packs, na internally o post-rectifier connected in series/parallel upang makamit ang desired voltage/power. Lahat ng packs ay nagbabahagi ng parehong magnetic circuit, nagpapadali ng modular design at voltage balancing—ideal para sa high-power output.

Ang parehong methods ay nangangailangan ng integrated design kasama ang winding segmentation, shielding, at insulation windows upang balansehin ang voltage stress, efficiency, EMI, at thermal performance.

2.4 Structural Selection Guidelines (Quick Engineering Reference)

• Prioritizing electric field uniformity and PD control: Pabor sa segmented o continuous (disc-type) HV windings, combined with Faraday shielding, end margins, at barriers; vacuum impregnation/potting recommended when necessary.

• Prioritizing high current and low copper loss: Gamitin ang Litz wire o copper foil para sa secondary; gumamit ng interleaved o sandwich winding internally upang iminimize ang leakage inductance at Rac; paigtingin ang outer shielding at insulation.

• Prioritizing assembly and maintainability: Adopt modular secondary coil packs with series/parallel connections for easy voltage balancing, testing, at fault isolation; pumili ng voltage multiplier rectification (≤2 stages) o series/parallel combination sa rectifier side batay sa power at transient requirements.