DC／DC模块电源穿孔平板磁器件的设计与应用

摘要：当前开关电源不断向“小、轻、薄”方向发展，减小储能元件厚度成为提高开关电源功率密度的一个有效方法。此处以小功率有源箝位DC／DC模块电源应用为例，分析和研究了穿孔平板磁技术，设计了一种新结构磁器件以提高模块电源的功率密度，并针对有源箝位模块电源进行了穿孔平板磁器件的设计与应用。首先介绍了穿孔平板变压器、穿孔平板电感的基本结构，基于磁路理论分析了磁芯单元磁通分布、磁感应强度等性能，进而针对模块设计了磁器件的具体参数，并用有限元软件进行仿真验证，实际运行也证实了设计的有效性。
关键词：模块电源；穿孔平板电感；有源箝位电路

1 引言
随着DC／DC模块电源功率的不断提高，对电源中磁性器件的体积、效率提出了更高要求。目前，矮外形磁芯、平面绕组结构的平面磁器件是1／8～1／2砖DC／DC模块的常见组成结构。多磁芯结构的扁平矩阵变压器因可自动次级均流、结构设计灵活、散热容易，也在模块电源得到了应用。然而，上述两种结构的磁芯占据了PCB表面积的很大部分，使功率器件和控制器件的布置困难。同时．磁芯的厚度也决定了模块的高度，使模块在高度上的空间利用不足。
为给模块的功率器件和控制器件提供更大的布置面积，降低模块厚度，提高功率密度，这里尝试使用穿孔平板磁器件，并将磁器件与PCB平行安装来达到上述目的。针对一个有源箝位DC／DC电源模块的应用，首先分析穿孔平板变压器、穿孔平板电感的结构和磁路特点。进而设计了磁器件的具体参数，经有限元仿真验证后制作出磁器件，并经实测证实了其效果。

2 有源箝位模块电源及其结构
所设计的DC／DC模块电源为输入低端有源箝位、输出同步整流的隔离正激电路，其主电路如图1所示。

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该电源主要性能指标为额定输入电压48 V，额定输出电压3．3 V／15 A，开关频率500 kHz。该电源的主开关和箝位开关均能实现零电压开通，大大降低主开关管电压应力，并可在占空比大于50％的情况下工作。电源的控制电路分别从初、次级采集电流和电压信号，并送入PWM控制器调节占空比，再经初级驱动电路控制功率开关，稳定输出电压。图中的变压器、电感采用穿孔平板磁器件结构，省略号表示多个变压器单元、电感单元相串联或并联。

为提高该模块电源的功率密度，改善功率器件布置面积紧张问题，采用了将模块电源的PCB与穿孔平板磁器件平行安装的方式，如图2所示。可见，穿孔平板磁芯置于PCB的上方，未占用其表面，从而使PCB可放置更多的功率开关、控制器件，以实现更复杂的功能或更大的功率等级。

3 模块电源平板磁器件的分析和设计
该模块电源的变压器、电感器采用穿孔平板磁器件结构，其本质上也是矩阵式变压器的一种变形，下面对其设计进行具体介绍。
3．1 穿孔式平板变压器的设计与分析
穿孔式平板变压器由钻有通孔的平板磁芯和扁平铜线绕组组成。其中，穿孔式平板磁芯的结构与通常的磁芯区别较大。在平板磁芯上，以通孔为中心，各通孔与周围的磁材料构成一个磁芯单元。变压器的初、次级绕组从通孔中穿过，即相互交链，构成一个变压转换单元。在设计中，考虑到通孔的面积有限，次级绕组输出电流较大，在变压转换单元采用1：1匝数比的初、次级绕组设计。此外，磁芯单元采用相邻磁芯单元激磁电流方向相反的I型设计，使不同磁芯单元间的磁路耦合小到可以忽略，从而简化分析和设计。
在设计穿孔平板磁芯时，需确定穿孔的数目、穿孔孔径、平板面积和厚度等参数，而这些参数需要以磁芯不饱和、绕组可穿过、体积适当等作为基本约束条件。下面介绍设计中参数的确定过程。对于磁芯单元，与普通变压器一个明显不同是其内部磁感应强度分布不均匀。磁芯单元的激磁电感为：

式中：μ为磁芯的导磁率，单位为H／m；h为平板磁芯的厚度，单位为m；Rmax为磁芯单元的半径，单位为m；Rmin为磁芯通孔的半径，单位为m。
由式(1)可知，磁芯单元内磁感应强度的最大值出现在通孔的内壁处，最小值出现在磁芯单元的外边界处。在设计时，首先要保证通孔内壁的磁芯不饱和。由于初级绕组串联，变压器的整体激磁电感为各串联单元之和，即：

式中：Lm为初级激磁电感。
可见，穿孔平板变压器中的磁芯单元串联数n类似于普通变压器的绕组匝数N，通过选择初、次级磁芯单元的串联数目，就可实现所需的初、次级匝比。对有源箝位DC／DC电源而言，当一个主开关导通时，穿孔平板变压器内初级最大磁链ψ=UinDT，其中，Uin为直流输入电压，D为占空比，T为开关周期。每个磁芯单元的磁链为其1／n，那么磁芯单元的最大激磁电流为：

式中：f为开关管的工作频率。
由安培环路定律可知，穿孔平板磁芯磁感应强度最大值出现在主开关管即将关断时的通孔内壁处，其值为：

可见，在设计穿孔平板变压器时，需要对n，Rmin，h等进行选择，以达到不饱和要求。n越大，越不易饱和，而Rmin过大或过小时，磁芯则容易饱和。故设计一个外部尺寸基本确定的穿孔平板变压器时，需要平衡n和Rmin。[p]
在模块电源设计中，选用25 mm×16 mm×4 mm的锰锌铁氧体平板磁芯。考虑到电源6：1的初、次级匝比和磁孔加工难度，取n=24。根据式(4)可得Bpeak与Rmin的关系曲线，如图3所示。

由图可见，当Rmin在0．5～1 mm时，Bpeak较小。为便于绕组制作，设计取Rmin=1 mm。变压器初级绕组按水平方向布放，次级绕组按垂直方向布放，以减小绕组间的相互干扰。
3．2 穿孔平板电感的设计与分析
设计的穿孔平板电感器的基本结构和材料与上文穿孔平板变压器相似。其磁芯单元的主要结构如图4所示，可见电感磁芯单元的通孔上开有气隙l0。由于μ远大于空气导磁率，电感绕组的磁通主要落在气隙上，因此气隙内的磁感应强度几乎相同，电感磁芯单元磁体内各处磁感应强度也基本一致。

由图4可知，单个磁芯单元的电感值为：

整个电感有NL个串联磁心单元，则总电感为：

所以在设计穿孔平板电感时，可根据所需电感量，由式(6)得到各参数的积，再依次考虑Rmin，l0，NL和磁芯的尺寸即可。对于该DC／DC模块电源输出滤波电感为0．63μH，磁芯为25 mmx16 mmx4 mm的锰锌铁氧体磁芯，6个Rmin=1 mm的穿孔，绕组采用立兹线。
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