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高功率密度高頻電源變壓器的應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2012-06-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

為了減小電力電子設(shè)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(gè)頻率范圍的高效磁性元件時(shí),必須重點(diǎn)關(guān)注其趨膚效應(yīng)和渦流損耗給繞組和磁心設(shè)計(jì)以及相應(yīng)地給磁心材料和導(dǎo)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,大于400W/cm3,范圍在50~100W,輸出電壓為1.5V,效率高于99%的電子設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。為了達(dá)到上述指標(biāo),首先必須增加繞組的銅箔,使其超過常規(guī)多股絞合線的,并解決以銅箔曲繞技術(shù)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(gòu)成了緊密交疊的Z字形繞組結(jié)構(gòu),以此實(shí)現(xiàn)了高的銅箔繞組密度,低銅損和極低的漏感。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177020.htm

電力電子設(shè)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(jì)算機(jī)、手提電腦和移動(dòng)通信等電子設(shè)備的小型化和多功能化發(fā)展需求而被逐步推進(jìn)的。由于在電子設(shè)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就特別關(guān)注。在這些要求下,上世紀(jì)80年代即出現(xiàn)了分布式系統(tǒng),致使可以采用小型組件供給單個(gè)電路板安裝。例如,提供桌面?zhèn)€人計(jì)算機(jī)的開關(guān)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(jié)構(gòu)和諧振,準(zhǔn)諧振開關(guān)法以減小開關(guān)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(dá)1.5V,效率為99%的緊湊型電子。

這種緊湊型變壓器的設(shè)計(jì),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(shù)是使用銅箔交疊的平面繞組結(jié)構(gòu),以增加銅箔密度的方法減小在(MHz級)范圍內(nèi)的趨膚效應(yīng)和渦流損耗。有文獻(xiàn)報(bào)道,據(jù)計(jì)算,采用的銅箔厚度小于4.3mil(密耳)(此厚度尺寸為2MHz頻率時(shí),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(nèi)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寸,如果是四層并聯(lián),則為7寸。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(jié)構(gòu)。

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(jìn)程,在普通立體變壓器電感器的基礎(chǔ)上,至今已經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段和具有了以下幾種類型:第一個(gè)發(fā)展階段是“平面型”(薄型)電子變壓器?,F(xiàn)已系列化大批量生產(chǎn)。第二個(gè)發(fā)展階段是“片式化”變壓器、電感器。它們是隨SMT工藝技術(shù)的發(fā)展而逐步完善的,目前也已形成系列與批量。第三個(gè)發(fā)展階段是“薄膜型”變壓器和電感器,已有小批量生產(chǎn)。這四個(gè)階段發(fā)展起來的各種類型的變壓器電感器各有其領(lǐng)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(dāng)明顯的優(yōu)點(diǎn)。

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(shí)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(dǎo)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(shè)計(jì)及桶形繞組的結(jié)構(gòu)。

在本文討論的變壓器設(shè)計(jì)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(jìn)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(yīng)同時(shí)采用初次級疊層間的適當(dāng)重疊次序,以保證初級層與次級層間的緊密交疊。■

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