高頻低造型電源變壓器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/179889.htm

探討了高頻低造型電源變壓器設(shè)計(jì)的有關(guān)問(wèn)題，給出了平板式繞組的設(shè)計(jì)制作方法。該方法能自動(dòng)串連繞組各層導(dǎo)體，從而解決了繞組各層導(dǎo)體之間的連線問(wèn)題，避免了焊接，大大提高了器件的可靠性和繞組對(duì)磁心窗口的利用率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用這種方法制作的變壓器漏感小、效率高，特別適合用于分布式高功率密度的開(kāi)關(guān)電源模塊當(dāng)中。文中還給出了高頻低造型電源變壓器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，這不僅使得設(shè)計(jì)過(guò)程更靈活、快捷，也使得設(shè)計(jì)結(jié)果更可靠。

關(guān)鍵詞

高頻低造型變壓器繞組制作計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

Abstract:Thispaperdiscussestheissuesrelatedtohigh－frequencyandlow－profilepowertransformers.Anewdesignandfabricationmethodforplanarwindingshasbeenpresented.Itautomaticallyseries－connectseachlayerofthewinding,thussolvingtheproblemofinterlayerconnections,andeliminatingexternalsoldering.Italsogreatlyimprovesthereliabilityofthecomponentandtheutilizationofthewindowarea.Experimentalresultshaveshownthatthenewmethodcanresultinlowleakageinductance,highefficiency,andisparticularlyusefulforthedesignofinductorsandtranstformersusedinlow－profileandhigh－power－densityconvertermodules.Finally,acomputer－aideddesignofhigh－frequencyandlow－profilepowertranstormershasbeengiven,whichallowsthetransformerdesigntobefaster,

moreflexibleandreliable.

Keywords:HighfrequencyLowprofileTransformerwindingFobricationComputer－aideddesign

1引言

　　隨著開(kāi)關(guān)電源的普遍應(yīng)用，廣大用戶對(duì)電源模塊也提出了更高的要求，諸如效率高、性能可靠、體積小，而且對(duì)模塊的整體高度往往也有限制，因而高頻低造型磁性元件的研究日益受到重視。這種新型磁性元件的磁心呈扁平狀，高度很?。ǖ陀?cm），繞組也不再采用傳統(tǒng)的實(shí)心圓導(dǎo)線或絞合線來(lái)繞制，而是用柔性或剛性的印刷電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)體呈平板狀。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)不但可省去繞組固定架，提高了窗口的利用率，而且有利于散熱、減小漏感和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。另外，由于電流沿導(dǎo)體寬度方向分布，因而可減小趨膚效應(yīng)所引起的損耗。缺點(diǎn)是采用印刷電路板制作多層繞組時(shí)往往需另加焊孔以連接相鄰導(dǎo)體，當(dāng)匝數(shù)較多時(shí)設(shè)計(jì)制作便很復(fù)雜。美國(guó)A.J.Yerman等人發(fā)明了一種無(wú)須焊接的繞組制作方法，但這種方法需要兩層導(dǎo)體才能形成一匝，因而沒(méi)有有效地利用已經(jīng)有限的磁心窗口高度。

　　變壓器的設(shè)計(jì)還涉及到磁心和繞組的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)確定及繞組布置問(wèn)題，傳統(tǒng)的變壓器設(shè)計(jì)一般都是先根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算磁心窗口面積和磁心橫截面積的乘積，然后再選用合適的磁心，確定繞組匝數(shù)、激磁電感等，但這種方法只限于低頻應(yīng)用。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)（100kHz以上），變壓器的鐵損和銅損都會(huì)明顯增大，且與變壓器磁心和繞組的結(jié)構(gòu)及相對(duì)布置密切相關(guān)。現(xiàn)今的用戶對(duì)電源模塊的體積特別是高度都有要求，使得設(shè)計(jì)者趨向于采用低造型電源變壓器。如果還是采用傳統(tǒng)的方法，那么設(shè)計(jì)出來(lái)的變壓器就會(huì)很難滿足要求，即使?jié)M足要求，也不一定是最佳設(shè)計(jì)。

本文將給出一種新穎的折疊式繞組設(shè)計(jì)和制作方法，先將銅片加工成所要求的形狀，然后再折疊成繞組，每層銅導(dǎo)體所形成的匝數(shù)提高到5/6匝。另外還給出了用這種方法制作繞組的低造型變壓器和電感器在開(kāi)關(guān)電源中的具體應(yīng)用及測(cè)試結(jié)果。最后根據(jù)高頻變壓器的銅損和鐵損與幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、頻率之間的關(guān)系，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，針對(duì)用戶的使用要求，尋找體積最小即功率密度最大的電源變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這種方法不但快捷，而且使得設(shè)計(jì)者能方便地調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，直到得到滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

2高頻低造型電源變壓器的研制與應(yīng)用

2.1多層印刷電路板型及“z”字形折疊式繞組

　　D．V．D．Linde等人于1991年報(bào)導(dǎo)了用印刷電路板工藝制作多層繞組及應(yīng)用，圖1所示的是其采用的繞組導(dǎo)體串連方法，圖中的端1和端2是繞組的引出端。圖中所示的是一“匝數(shù)為6”（當(dāng)然可以更大）的繞組，它實(shí)際上是由三個(gè)雙面PCB組成，每個(gè)雙面PCB的上下層導(dǎo)體則由“局部焊孔”相連。每層導(dǎo)體都有向外伸出的“連接銅片”，相鄰的雙面PCB正是靠這些“連接銅片”上的焊孔相連。如果要求的繞組匝數(shù)較多，連接點(diǎn)和連接線就會(huì)很多，例如當(dāng)繞組匝數(shù)僅為10時(shí)就得有20個(gè)連接點(diǎn)和11條連接線。當(dāng)繞組匝數(shù)較多時(shí)也未必能實(shí)現(xiàn)繞組的制作，因?yàn)?ldquo;連接銅片”的多少受磁心尺寸的限制。連接點(diǎn)增多不僅給制作帶來(lái)難度，同時(shí)也影響可靠性。為了解決連線以及焊接問(wèn)題，A.J.Yerman等人發(fā)明了“z”字折疊式繞組，先用柔性PCB腐蝕制成一定形狀的銅片，見(jiàn)圖2，然后再折疊成繞組。圖中的繞組是以“z”字折疊4個(gè)半匝的柔性PCB而成，總匝數(shù)為2。它實(shí)際上是由位于頂層以實(shí)線表示的導(dǎo)體7和底層以虛線表示的導(dǎo)體8折疊而成，而繞組的一匝實(shí)質(zhì)上是由頂層的半匝和底層的半匝形成。端5和端6是引線端，虛線1、2和3為折疊線，9為絕緣材料，4為留給磁心心柱的通孔。這種方法的好處是避免了焊接，提高了整個(gè)元件的可靠性，但由于需要兩層銅箔才形成整一匝，當(dāng)匝數(shù)要求較多，而磁心高度又有要求時(shí)，繞組的高度便滿足不了要求。

　　(2)

式中：Rac——繞組的交流電阻；

　　M=△(sinh2△＋sin2△)/(cosh2△－cos2△)

　　D=2△(sinh△－sin△)/(cosh△＋cos△)　　△=tw/δ;δ（趨膚深度）=

　　f——開(kāi)關(guān)頻率；

　　μo——真空磁導(dǎo)率，μo=4π×10－7。

　　濾波電感器也采用相同的磁心，只是留了約1mm的氣隙以防止磁心飽和及減小由于直流偏置所引起的損耗。電感器的繞組由兩個(gè)具有相同匝數(shù)的繞組并聯(lián)而成，以減少銅損。所制作的變壓器和電感器整個(gè)磁心高度僅為8mm。