行业人士分享一种高功率密度高频电源变压器

引言

为了减小电力电子设备的尺寸与重量，现已将其工作频率提高到了MHz级。众所周知，影响功率变换器整体尺寸与重量的主要问题是其中磁性元件的尺寸重量。在研制这个频率范围的高效磁性元件时，必须重点关注其趋肤效应和涡流损耗给绕组和磁心设计以及相应地给磁心材料和导体材料品种规格的选用所带来的种种限制。本文对工作频率为 2MHz，功率密度大于400W/cm3，功率范围在50~100W，输出电压为1.5V，效率高于99%的电子变压器设计进行讨论。为了达到上述指标，首先必须增加绕组的铜箔密度，使其超过常规多股绞合线的密度，并解决以铜箔曲绕技术制造多层绕组的工艺问题。这种绕组省去了绕组层间的外连线，这样就构成了紧密交叠的Z字形绕组结构，以此实现了高的铜箔绕组密度，低铜损和极低的漏感。

电力电子设备的小型化问题

电子元器件的小、薄、轻量化是随桌面个人计算机、手提电脑和移动通信等电子设备的小型化和多功能化发展需求而被逐步推进的。由于在电子设备中，磁性元件占其体积重量的比例在25%以上，所以，长期以来，人们对于能够输送低电压大电流、低损耗且占用安装面积小、散热性好等性能的小型化电子变压器就特别关注。在这些要求下，上世纪80年代即出现了分布式电源系统，致使可以采用小型电源组件供给单个电路板安装。例如，提供桌面个人计算机的开关电源具备了200W功率，输出电压为5V和12V，效率为80%，封装功率密度为1W/in3。此后，随采用新的高效电源拓朴结构和谐振，准谐振开关法以减小开关损耗，且工作频率提高到MHz级，不仅使电路中的磁性元件的尺寸大大减小，而且开发出了100W及以上输出功率，输出电压低达1.5V，效率为99%的紧凑型电子变压器。这种紧凑型变压器的设计，首先遇到的问题是要在高功率密度和高效率两者间作折衷选择，其研制出的主要技术是使用铜箔交叠的平面绕组结构，以增加铜箔密度的方法减小在高频(MHz级)范围内的趋肤效应和涡流损耗。有文献报道，据计算，采用的铜箔厚度小于4.3mil(密耳)(此厚度尺寸为2MHz频率时，铜之趋肤深度的两倍)制成平面环形单匝，若要得到75μΩ的次级单匝电阻值，对于51mil的内层单匝而言，如果其外层采取两层并联，则外层单匝半径需要9.79吋，如果是四层并联，则为7吋。所以，为了保证获得足够小的安装面积，必须将许多单匝层并联起来，形成一种近似于立方体的几何结构。

磁性电子元件(主要指电子变压器和电感器)的小型薄型化进程，在普通立体变压器电感器的基础上，至今已经历了三个发展阶段和具有了以下几种类型：第一个发展阶段是“平面型”(薄型)电子变压器，见图1，图2所示的类型。现已系列化大批量生产。第二个发展阶段是“片式化”变压器、电感器，见图3、图4所示类型。它们是随SMT工艺技术的发展而逐步完善的，目前也已形成系列与批量。第三个发展阶段是“薄膜型”变压器和电感器，见图5所示类型，已有小批量生产。这四个阶段发展起来的各种类型的变压器电感器各有其应用领域，并没有随发展阶段而逐“代”完全被替代的情况。小、薄、轻型化变压器电感器与常规立体变压器电感器比较，具有相当明显的优点，见表1所示。

图1

图2

上述各种小型化磁性元件的制造工艺，可以说已经相对成熟，但平面线绕线圈型、“PCB”型及其混合型磁性元件，不适用于极低电阻的磁性元件。而且，PCB制造法的磁性元件用外部引脚实现层间互连，这就显著增大了互连电阻，也就限制了更多层数线圈的使用。混合型元件制造中，容易受厚膜胶相对较大的电阻率以及印制导体厚度的限制。而很多层数交叠折绕的平面铜箔绕组，可以获得极低的电阻，它主要受限于小电流的单层设计及桶形绕组的结构。

在本文讨论的变压器设计制造中，研究探讨了多种曲挠绕组的方法，其中PCB铜箔印制绕组包括了制作层间互连线，从而得到了Z字形折叠多层初级绕组；用类似的方法进行Z字形折叠，并在敷铜箔上引出中心抽头，在各层铜箔上焊接上铜箔匝输出端并将各层的输出端并联，即可制成次级绕组。在Z字叠层制作过程中，应同时采用初次级叠层间的适当重叠次序，以保证初级层与次级层间的紧密交叠。