一種高功率密度高頻電源變壓器

1 引言

為了減小電力電子設(shè)備的尺寸與重量，現(xiàn)已將其工作頻率提高到了MHz級(jí)。眾所周知，影響功率變換器整體尺寸與重量的主要問(wèn)題是其中磁性元件的尺寸重量。在研制這個(gè)頻率范圍的高效磁性元件時(shí)，必須重點(diǎn)關(guān)注其趨膚效應(yīng)和渦流損耗給繞組和磁心設(shè)計(jì)以及相應(yīng)地給磁心材料和導(dǎo)體材料品種規(guī)格的選用所帶來(lái)的種種限制。本文對(duì)工作頻率為2MHz，功率密度大于400W/cm3，功率范圍在50~100W，輸出電壓為1.5V，效率高于99%的電子變壓器設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。為了達(dá)到上述指標(biāo)，首先必須增加繞組的銅箔密度，使其超過(guò)常規(guī)多股絞合線的密度，并解決以銅箔曲繞技術(shù)制造多層繞組的工藝問(wèn)題。這種繞組省去了繞組層間的外連線，這樣就構(gòu)成了緊密交疊的Z字形繞組結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)了高的銅箔繞組密度，低銅損和極低的漏感。

2 電力電子設(shè)備的小型化問(wèn)題

電子元器件的小、薄、輕量化是隨桌面?zhèn)€人計(jì)算機(jī)、手提電腦和移動(dòng)通信等電子設(shè)備的小型化和多功能化發(fā)展需求而被逐步推進(jìn)的。由于在電子設(shè)備中，磁性元件占其體積重量的比例在25%以上，所以，長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)于能夠輸送低電壓大電流、低損耗且占用安裝面積小、散熱性好等性能的小型化電子變壓器就特別關(guān)注。在這些要求下，上世紀(jì)80年代即出現(xiàn)了分布式電源系統(tǒng)，致使可以采用小型電源組件供給單個(gè)電路板安裝。例如，提供桌面?zhèn)€人計(jì)算機(jī)的開(kāi)關(guān)電源具備了200W功率，輸出電壓為5V和12V，效率為80%，封裝功率密度為1W/in3。此后，隨采用新的高效電源拓樸結(jié)構(gòu)和諧振，準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)法以減小開(kāi)關(guān)損耗，且工作頻率提高到MHz級(jí)，不僅使電路中的磁性元件的尺寸大大減小，而且開(kāi)發(fā)出了100W及以上輸出功率，輸出電壓低達(dá)1.5V，效率為99%的緊湊型電子變壓器。這種緊湊型變壓器的設(shè)計(jì)，首先遇到的問(wèn)題是要在高功率密度和高效率兩者間作折衷選擇，其研制出的主要技術(shù)是使用銅箔交疊的平面繞組結(jié)構(gòu)，以增加銅箔密度的方法減小在高頻（MHz級(jí)）范圍內(nèi)的趨膚效應(yīng)和渦流損耗。有文獻(xiàn)報(bào)道，據(jù)計(jì)算，采用的銅箔厚度小于4.3mil（密耳）（此厚度尺寸為2MHz頻率時(shí)，銅之趨膚深度的兩倍）制成平面環(huán)形單匝，若要得到75μΩ的次級(jí)單匝電阻值，對(duì)于51mil的內(nèi)層單匝而言，如果其外層采取兩層并聯(lián)，則外層單匝半徑需要9.79吋，如果是四層并聯(lián)，則為7吋。所以，為了保證獲得足夠小的安裝面積，必須將許多單匝層并聯(lián)起來(lái)，形成一種近似于立方體的幾何結(jié)構(gòu)。

磁性電子元件（主要指電子變壓器和電感器）的小型薄型化進(jìn)程，在普通立體變壓器電感器的基礎(chǔ)上，至今已經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段和具有了以下幾種類(lèi)型：第一個(gè)發(fā)展階段是“平面型”（薄型）電子變壓器，見(jiàn)圖1，圖2所示的類(lèi)型?，F(xiàn)已系列化大批量生產(chǎn)。第二個(gè)發(fā)展階段是“片式化”變壓器、電感器，見(jiàn)圖3、圖4所示類(lèi)型。它們是隨SMT工藝技術(shù)的發(fā)展而逐步完善的，目前也已形成系列與批量。第三個(gè)發(fā)展階段是“薄膜型”變壓器和電感器，見(jiàn)圖5所示類(lèi)型，已有小批量生產(chǎn)。這四個(gè)階段發(fā)展起來(lái)的各種類(lèi)型的變壓器電感器各有其應(yīng)用領(lǐng)域，并沒(méi)有隨發(fā)展階段而逐“代”完全被替代的情況。小、薄、輕型化變壓器電感器與常規(guī)立體變壓器電感器比較，具有相當(dāng)明顯的優(yōu)點(diǎn)，見(jiàn)表1所示。

上述各種小型化磁性元件的制造工藝，可以說(shuō)已經(jīng)相對(duì)成熟，但平面線繞線圈型、“PCB”型及其混合型磁性元件，不適用于極低電阻的磁性元件。而且，PCB制造法的磁性元件用外部引腳實(shí)現(xiàn)層間互連，這就顯著增大了互連電阻，也就限制了更多層數(shù)線圈的使用。混合型元件制造中，容易受厚膜膠相對(duì)較大的電阻率以及印制導(dǎo)體厚度的限制。而很多層數(shù)交疊折繞的平面銅箔繞組，可以獲得極低的電阻，它主要受限于小電流的單層設(shè)計(jì)及桶形繞組的結(jié)構(gòu)。

在本文討論的變壓器設(shè)計(jì)制造中，研究探討了多種曲撓繞組的方法，其中PCB銅箔印制繞組包括了制作層間互連線，從而得到了Z字形折疊多層初級(jí)繞組；用類(lèi)似的方法進(jìn)行Z字形折疊，并在敷銅箔上引出中心抽頭，在各層銅箔上焊接上銅箔匝輸出端并將各層的輸出端并聯(lián)，即可制成次級(jí)繞組。在Z字疊層制作過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)采用初次級(jí)疊層間的適當(dāng)重疊次序，以保證初級(jí)層與次級(jí)層間的緊密交疊。