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備的尺寸與重量，現(xiàn)已將其工作頻率提高到了MHz級。眾所周知，影響功率變換器整體尺寸與重量的主要問題是其中磁性元件的尺寸重量。在研制這個頻率范圍的高效磁性元件時，必須重點關注其趨膚效應和渦流損耗給繞組和磁心設計以及相應地給磁心材料和導體材料品種規(guī)格的選用所帶來的種種限制。本文對工作頻率為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%的電子變壓器設計進行討論。為了達到上述指標，首先必須增加繞組的銅箔密度，使其超過常規(guī)多股絞合線的密度，并解決以銅箔曲繞技術制造多層繞組的工藝問題。這種繞組省去了繞組層間的外連線，這樣就構成了緊密交疊的Z字形繞組結構，以此實現(xiàn)了高的銅箔繞組密度，低銅損和極低的漏感。

2 電力電子設備的小型化問題

電子元器件的小、薄、輕量化是隨桌面?zhèn)€人計算機、手提電腦和移動通信等電子設備的小型化和多功能化發(fā)展需求而被逐步推進的。由于在電子設備中，磁性元件占其體積重量的比例在25%以上，所以，長期以來，人們對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注。在這些要求下，上世紀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電路板安裝。例如，提供桌面?zhèn)€人計算機的開關電源具備了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構和諧振，準諧振開關法以減小開關損耗，且工作頻率提高到MHz級，不僅使電路中的磁性元件的尺寸大大減小，而且開發(fā)出了100W及以上輸出功率，輸出電壓低達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計，首先遇到的問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是使用銅箔交疊的平面繞組結構，以增加銅箔密度的方法減小在高頻（MHz級）范圍內的趨膚效應和渦流損耗。有文獻報道，據(jù)計算，采用的銅箔厚度小于4.3mil（密耳）（此厚度尺寸為2MHz頻率時，銅之趨膚深度的兩倍）制成平面環(huán)形單匝，若要得到75μΩ的次級單匝電阻值，對于51mil的內層單匝而言，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，形成一種近似于立方體的幾何結構。

磁性電子元件（主要指電子變壓器和電感器）的小型薄型化進程，在普通立體變壓器電感器的基礎上，至今已經(jīng)歷了三個發(fā)展階段和具有了以下幾種類型：第一個發(fā)展階段是“平面型”（薄型）電子變壓器，見圖1，圖2所示的類型。現(xiàn)已系列化大批量生產(chǎn)。第二個發(fā)展階段是“片式化”變壓器、電感器，見圖3、圖4所示類型。它們是隨SMT工藝技術的發(fā)展而逐步完善的，目前也已形成系列與批量。第三個發(fā)展階段是“薄膜型”變壓器和電感器，見圖5所示類型，已有小批量生產(chǎn)。這四個階段發(fā)展起來的各種類型的變壓器電感器各有其應用領域，并沒有隨發(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，具有相當明顯的優(yōu)點，見表1所示。

上述各種小型化磁性元件的制造工藝，可以說已經(jīng)相對成熟，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，容易受厚膜膠相對較大的電阻率以及印制導體厚度的限制。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計及桶形繞組的結構。

在本文討論的變壓器設計制造中，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字形折疊多層初級繞組；用類似的方法進行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)，即可制成次級繞組。在Z字疊層制作過程中，應同時采用初次級疊層間的適當重疊次序，以保證初級層與次級層間的緊密交疊。