分析:高功率密度高频电源干式变压器

1导言

为了减小电力电子设备的体积和重量，其工作频率已提高到兆赫级。众所周知，影响功率变换器整体尺寸和重量的主要问题是磁性元件的尺寸和重量。在这个频率范围内开发高效磁性元件时，必须注意集肤效应和涡流损耗对绕组和铁芯设计的限制，以及铁芯材料和导体材料的品种和规格的选择。讨论了工作频率为2MHz、功率密度大于400W/cm3、功率范围为50~100W、输出电压为1.5V、效率高于99%的电子式干式变压器的设计。为了实现上述目标，需要增加绕组的铜箔密度，使其超过常规绞合线的密度，解决铜箔缠绕技术制造多层绕组的技术难题。这种绕组省略了绕组层间的外部布线，从而形成重叠紧密的锯齿形绕组结构，从而实现高铜箔绕组密度、低铜损耗和极低的漏电感。

2电力电子设备的小型化

随着台式个人计算机、便携式计算机和移动通信等电子设备小型化和多功能的发展需求，电子元件的小型化、薄型化和轻量化逐渐得到促进。长期以来，人们特别关注能够输送低电压大电流、低损耗、安装面积小、散热好的小型化电子干式变压器。在这些要求下，分布式电源系统于20世纪80年代出现，这使得使用小功率元件来提供单个电路板进行安装成为可能。比如台式个人电脑的开关电源，功率200W，输出电压5V、12V，效率80%，封装功率密度1W/in3。此后，通过采用新型高效电源拓扑和谐振，准谐振开关方法降低了开关损耗，并将工作频率提高到MHz水平，不仅大大减小了电路中磁性元件的尺寸，还开发了输出功率为100W及以上、输出电压低至1.5V、效率为99%的紧凑型电子干式变压器。在这种紧凑型干式变压器的设计中，遇到的较好个问题是在高功率密度和高效率之间进行折衷。开发的主要技术是使用铜箔重叠的平面绕组结构，通过增加铜箔密度来减少高频(MHz级)的集肤效应和涡流损耗。根据文献报道，计算出铜箔的厚度小于4.3mil(这个厚度尺寸是2MHz频率下铜的趋肤深度的两倍)以制成平面环形单圈。要获得75的二次单匝电阻值，对于51mil的内单匝，如果其外层并联两层，则外单匝的半径需要9.79英寸，如果并联四层，则需要7英寸。因此，为了保证足够小的安装面积，必须将许多单匝层并联起来，形成类似立方体的几何结构。

磁性电子元器件(主要是电子式干式变压器和电感)的小型化和薄型化过程，到目前为止经历了三个发展阶段和以下几种类型：较好个发展阶段是平面(薄型)电子式干式变压器，如图1和图2所示。现在已经系列化量产了。第二个发展阶段是芯片干式变压器和电感，如图3和图4所示。它们是随着SMT技术的发展而逐渐完善的，目前已经形成系列和批次。第三个发展阶段是薄膜干式变压器和电感器，如图5所示，已经小批量生产。这四个阶段发展起来的各种类型的干式变压器电感都有各自的应用领域，并没有随着发展阶段而被完全取代。与常规的三维干式变压器电感相比，小型、薄型、轻量化的干式变压器电感具有明显的优势，如表1所示。 #p#分页标题#e#

上述小型化磁性元件的制造工艺可以说是比较成熟的，但是平面绕线型、PCB型及其混合磁性元件并不适合极低电阻的磁性元件。此外，PCB制造方法中的磁性元件通过外部引脚在层间互连，显著增加了互连电阻，限制了更多层线圈的使用。在混合元件的制造中，很容易受到厚膜粘合剂相对较大的电阻率和印刷导体厚度的限制。但是很多重叠层的平面铜箔绕组可以获得极低的电阻，这主要受到小电流单层设计和桶形绕组结构的限制。

在本文讨论的干式变压器的设计和制造中，研究了多种柔性绕组的方法，其中印刷电路板铜箔印刷绕组包括制作层间互连线，从而获得锯齿形折叠的多层初级绕组；二次绕组可以通过类似的方式进行曲折折叠，在铜箔上引出中心抽头，将铜箔的输出端焊接在每层铜箔上，并将每层的输出端并联。在Z形层压板的制造过程中，应同时采用合适的一次层之间的重叠顺序，以确保一次层和二次层之间的紧密重叠。

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