DC／DC模塊電源穿孔平板磁器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

為提高該模塊電源的功率密度，改善功率器件布置面積緊張問(wèn)題，采用了將模塊電源的PCB與穿孔平板磁器件平行安裝的方式，如圖2所示?？梢?jiàn)，穿孔平板磁芯置于PCB的上方，未占用其表面，從而使PCB可放置更多的功率開(kāi)關(guān)、控制器件，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能或更大的功率等級(jí)。

3 模塊電源平板磁器件的分析和設(shè)計(jì)
該模塊電源的變壓器、電感器采用穿孔平板磁器件結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)上也是矩陣式變壓器的一種變形，下面對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行具體介紹。
3．1 穿孔式平板變壓器的設(shè)計(jì)與分析
穿孔式平板變壓器由鉆有通孔的平板磁芯和扁平銅線繞組組成。其中，穿孔式平板磁芯的結(jié)構(gòu)與通常的磁芯區(qū)別較大。在平板磁芯上，以通孔為中心，各通孔與周圍的磁材料構(gòu)成一個(gè)磁芯單元。變壓器的初、次級(jí)繞組從通孔中穿過(guò)，即相互交鏈，構(gòu)成一個(gè)變壓轉(zhuǎn)換單元。在設(shè)計(jì)中，考慮到通孔的面積有限，次級(jí)繞組輸出電流較大，在變壓轉(zhuǎn)換單元采用1：1匝數(shù)比的初、次級(jí)繞組設(shè)計(jì)。此外，磁芯單元采用相鄰磁芯單元激磁電流方向相反的I型設(shè)計(jì)，使不同磁芯單元間的磁路耦合小到可以忽略，從而簡(jiǎn)化分析和設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)穿孔平板磁芯時(shí)，需確定穿孔的數(shù)目、穿孔孔徑、平板面積和厚度等參數(shù)，而這些參數(shù)需要以磁芯不飽和、繞組可穿過(guò)、體積適當(dāng)?shù)茸鳛榛炯s束條件。下面介紹設(shè)計(jì)中參數(shù)的確定過(guò)程。對(duì)于磁芯單元，與普通變壓器一個(gè)明顯不同是其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布不均勻。磁芯單元的激磁電感為：

式中：μ為磁芯的導(dǎo)磁率，單位為H／m；h為平板磁芯的厚度，單位為m；Rmax為磁芯單元的半徑，單位為m；Rmin為磁芯通孔的半徑，單位為m。
由式(1)可知，磁芯單元內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在通孔的內(nèi)壁處，最小值出現(xiàn)在磁芯單元的外邊界處。在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要保證通孔內(nèi)壁的磁芯不飽和。由于初級(jí)繞組串聯(lián)，變壓器的整體激磁電感為各串聯(lián)單元之和，即：

式中：Lm為初級(jí)激磁電感。
可見(jiàn)，穿孔平板變壓器中的磁芯單元串聯(lián)數(shù)n類似于普通變壓器的繞組匝數(shù)N，通過(guò)選擇初、次級(jí)磁芯單元的串聯(lián)數(shù)目，就可實(shí)現(xiàn)所需的初、次級(jí)匝比。對(duì)有源箝位DC／DC電源而言，當(dāng)一個(gè)主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，穿孔平板變壓器內(nèi)初級(jí)最大磁鏈ψ=UinDT，其中，Uin為直流輸入電壓，D為占空比，T為開(kāi)關(guān)周期。每個(gè)磁芯單元的磁鏈為其1／n，那么磁芯單元的最大激磁電流為：

式中：f為開(kāi)關(guān)管的工作頻率。
由安培環(huán)路定律可知，穿孔平板磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在主開(kāi)關(guān)管即將關(guān)斷時(shí)的通孔內(nèi)壁處，其值為：

可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)穿孔平板變壓器時(shí)，需要對(duì)n，Rmin，h等進(jìn)行選擇，以達(dá)到不飽和要求。n越大，越不易飽和，而Rmin過(guò)大或過(guò)小時(shí)，磁芯則容易飽和。故設(shè)計(jì)一個(gè)外部尺寸基本確定的穿孔平板變壓器時(shí)，需要平衡n和Rmin。