分析:高功率密度高頻電源干式變壓器

1導言

為了減小電力電子設備的體積和重量，其工作頻率已提高到兆赫級。眾所周知，影響功率變換器整體尺寸和重量的主要問題是磁性元件的尺寸和重量。在這個頻率范圍內開發高效磁性元件時，必須注意集膚效應和渦流損耗對繞組和鐵芯設計的限制，以及鐵芯材料和導體材料的品種和規格的選擇。討論了工作頻率為2MHz、功率密度大于400W/cm3、功率范圍為50~100W、輸出電壓為1.5V、效率高于99%的電子式干式變壓器的設計。為了實現上述目標，需要增加繞組的銅箔密度，使其超過常規絞合線的密度，解決銅箔纏繞技術制造多層繞組的技術難題。這種繞組省略了繞組層間的外部布線，從而形成重疊緊密的鋸齒形繞組結構，從而實現高銅箔繞組密度、低銅損耗和極低的漏電感。

2電力電子設備的小型化

隨著臺式個人計算機、便攜式計算機和移動通信等電子設備小型化和多功能的發展需求，電子元件的小型化、薄型化和輕量化逐漸得到促進。長期以來，人們特別關注能夠輸送低電壓大電流、低損耗、安裝面積小、散熱好的小型化電子干式變壓器。在這些要求下，分布式電源系統于20世紀80年代出現，這使得使用小功率元件來提供單個電路板進行安裝成為可能。比如臺式個人電腦的開關電源，功率200W，輸出電壓5V、12V，效率80%，封裝功率密度1W/in3。此后，通過采用新型高效電源拓撲和諧振，準諧振開關方法降低了開關損耗，并將工作頻率提高到MHz水平，不僅大大減小了電路中磁性元件的尺寸，還開發了輸出功率為100W及以上、輸出電壓低至1.5V、效率為99%的緊湊型電子干式變壓器。在這種緊湊型干式變壓器的設計中，遇到的較好個問題是在高功率密度和高效率之間進行折衷。開發的主要技術是使用銅箔重疊的平面繞組結構，通過增加銅箔密度來減少高頻(MHz級)的集膚效應和渦流損耗。根據文獻報道，計算出銅箔的厚度小于4.3mil(這個厚度尺寸是2MHz頻率下銅的趨膚深度的兩倍)以制成平面環形單圈。要獲得75的二次單匝電阻值，對于51mil的內單匝，如果其外層并聯兩層，則外單匝的半徑需要9.79英寸，如果并聯四層，則需要7英寸。因此，為了保證足夠小的安裝面積，必須將許多單匝層并聯起來，形成類似立方體的幾何結構。

磁性電子元器件(主要是電子式干式變壓器和電感)的小型化和薄型化過程，到目前為止經歷了三個發展階段和以下幾種類型：較好個發展階段是平面(薄型)電子式干式變壓器，如圖1和圖2所示。現在已經系列化量產了。第二個發展階段是芯片干式變壓器和電感，如圖3和圖4所示。它們是隨著SMT技術的發展而逐漸完善的，目前已經形成系列和批次。第三個發展階段是薄膜干式變壓器和電感器，如圖5所示，已經小批量生產。這四個階段發展起來的各種類型的干式變壓器電感都有各自的應用領域，并沒有隨著發展階段而被完全取代。與常規的三維干式變壓器電感相比，小型、薄型、輕量化的干式變壓器電感具有明顯的優勢，如表1所示。 #p#分頁標題#e#

上述小型化磁性元件的制造工藝可以說是比較成熟的，但是平面繞線型、PCB型及其混合磁性元件并不適合極低電阻的磁性元件。此外，PCB制造方法中的磁性元件通過外部引腳在層間互連，顯著增加了互連電阻，限制了更多層線圈的使用。在混合元件的制造中，很容易受到厚膜粘合劑相對較大的電阻率和印刷導體厚度的限制。但是很多重疊層的平面銅箔繞組可以獲得極低的電阻，這主要受到小電流單層設計和桶形繞組結構的限制。

在本文討論的干式變壓器的設計和制造中，研究了多種柔性繞組的方法，其中印刷電路板銅箔印刷繞組包括制作層間互連線，從而獲得鋸齒形折疊的多層初級繞組；二次繞組可以通過類似的方式進行曲折折疊，在銅箔上引出中心抽頭，將銅箔的輸出端焊接在每層銅箔上，并將每層的輸出端并聯。在Z形層壓板的制造過程中，應同時采用合適的一次層之間的重疊順序，以確保一次層和二次層之間的緊密重疊。

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