高頻低造型電源變壓器的設計與應用

摘要

本文引用地址：http://www.104case.com/article/179889.htm

探討了高頻低造型電源變壓器設計的有關問題，給出了平板式繞組的設計制作方法。該方法能自動串連繞組各層導體，從而解決了繞組各層導體之間的連線問題，避免了焊接，大大提高了器件的可靠性和繞組對磁心窗口的利用率。實驗結果表明，用這種方法制作的變壓器漏感小、效率高，特別適合用于分布式高功率密度的開關電源模塊當中。文中還給出了高頻低造型電源變壓器的計算機輔助設計方法，這不僅使得設計過程更靈活、快捷，也使得設計結果更可靠。

關鍵詞

高頻低造型變壓器繞組制作計算機輔助設計

Abstract:Thispaperdiscussestheissuesrelatedtohigh－frequencyandlow－profilepowertransformers.Anewdesignandfabricationmethodforplanarwindingshasbeenpresented.Itautomaticallyseries－connectseachlayerofthewinding,thussolvingtheproblemofinterlayerconnections,andeliminatingexternalsoldering.Italsogreatlyimprovesthereliabilityofthecomponentandtheutilizationofthewindowarea.Experimentalresultshaveshownthatthenewmethodcanresultinlowleakageinductance,highefficiency,andisparticularlyusefulforthedesignofinductorsandtranstformersusedinlow－profileandhigh－power－densityconvertermodules.Finally,acomputer－aideddesignofhigh－frequencyandlow－profilepowertranstormershasbeengiven,whichallowsthetransformerdesigntobefaster,

moreflexibleandreliable.

Keywords:HighfrequencyLowprofileTransformerwindingFobricationComputer－aideddesign

1引言

　　隨著開關電源的普遍應用，廣大用戶對電源模塊也提出了更高的要求，諸如效率高、性能可靠、體積小，而且對模塊的整體高度往往也有限制，因而高頻低造型磁性元件的研究日益受到重視。這種新型磁性元件的磁心呈扁平狀，高度很小（低于1cm），繞組也不再采用傳統的實心圓導線或絞合線來繞制，而是用柔性或剛性的印刷電路板來實現，導體呈平板狀。這種獨特的結構不但可省去繞組固定架，提高了窗口的利用率，而且有利于散熱、減小漏感和實現自動化生產。另外，由于電流沿導體寬度方向分布，因而可減小趨膚效應所引起的損耗。缺點是采用印刷電路板制作多層繞組時往往需另加焊孔以連接相鄰導體，當匝數較多時設計制作便很復雜。美國A.J.Yerman等人發明了一種無須焊接的繞組制作方法，但這種方法需要兩層導體才能形成一匝，因而沒有有效地利用已經有限的磁心窗口高度。

　　變壓器的設計還涉及到磁心和繞組的幾何結構參數確定及繞組布置問題，傳統的變壓器設計一般都是先根據設計要求計算磁心窗口面積和磁心橫截面積的乘積，然后再選用合適的磁心，確定繞組匝數、激磁電感等，但這種方法只限于低頻應用。當開關頻率很高時（100kHz以上），變壓器的鐵損和銅損都會明顯增大，且與變壓器磁心和繞組的結構及相對布置密切相關。現今的用戶對電源模塊的體積特別是高度都有要求，使得設計者趨向于采用低造型電源變壓器。如果還是采用傳統的方法，那么設計出來的變壓器就會很難滿足要求，即使滿足要求，也不一定是最佳設計。

本文將給出一種新穎的折疊式繞組設計和制作方法，先將銅片加工成所要求的形狀，然后再折疊成繞組，每層銅導體所形成的匝數提高到5/6匝。另外還給出了用這種方法制作繞組的低造型變壓器和電感器在開關電源中的具體應用及測試結果。最后根據高頻變壓器的銅損和鐵損與幾何結構參數、頻率之間的關系，利用計算機輔助設計，針對用戶的使用要求，尋找體積最小即功率密度最大的電源變壓器優化設計方案。這種方法不但快捷，而且使得設計者能方便地調整設計參數，直到得到滿意的設計結果。

2高頻低造型電源變壓器的研制與應用

2.1多層印刷電路板型及“z”字形折疊式繞組

　　D．V．D．Linde等人于1991年報導了用印刷電路板工藝制作多層繞組及應用，圖1所示的是其采用的繞組導體串連方法，圖中的端1和端2是繞組的引出端。圖中所示的是一“匝數為6”（當然可以更大）的繞組，它實際上是由三個雙面PCB組成，每個雙面PCB的上下層導體則由“局部焊孔”相連。每層導體都有向外伸出的“連接銅片”，相鄰的雙面PCB正是靠這些“連接銅片”上的焊孔相連。如果要求的繞組匝數較多，連接點和連接線就會很多，例如當繞組匝數僅為10時就得有20個連接點和11條連接線。當繞組匝數較多時也未必能實現繞組的制作，因為“連接銅片”的多少受磁心尺寸的限制。連接點增多不僅給制作帶來難度，同時也影響可靠性。為了解決連線以及焊接問題，A.J.Yerman等人發明了“z”字折疊式繞組，先用柔性PCB腐蝕制成一定形狀的銅片，見圖2，然后再折疊成繞組。圖中的繞組是以“z”字折疊4個半匝的柔性PCB而成，總匝數為2。它實際上是由位于頂層以實線表示的導體7和底層以虛線表示的導體8折疊而成，而繞組的一匝實質上是由頂層的半匝和底層的半匝形成。端5和端6是引線端，虛線1、2和3為折疊線，9為絕緣材料，4為留給磁心心柱的通孔。這種方法的好處是避免了焊接，提高了整個元件的可靠性，但由于需要兩層銅箔才形成整一匝，當匝數要求較多，而磁心高度又有要求時，繞組的高度便滿足不了要求。

　　(2)

式中：Rac——繞組的交流電阻；

　　M=△(sinh2△＋sin2△)/(cosh2△－cos2△)

　　D=2△(sinh△－sin△)/(cosh△＋cos△)　　△=tw/δ;δ（趨膚深度）=

　　f——開關頻率；

　　μo——真空磁導率，μo=4π×10－7。

　　濾波電感器也采用相同的磁心，只是留了約1mm的氣隙以防止磁心飽和及減小由于直流偏置所引起的損耗。電感器的繞組由兩個具有相同匝數的繞組并聯而成，以減少銅損。所制作的變壓器和電感器整個磁心高度僅為8mm。