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平面變壓器發(fā)展和類型
萬(wàn)志宇科技| 2023-06-08| 返回列表

平面變壓器發(fā)展的必然性

由于渦流效應(yīng),磁性元件的線圈損耗在高工作頻率和高電流下顯著增加,這不僅減小了效率,而且增加了溫升,這增加了熱設(shè)計(jì)難度,并限制了開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器功率密度的進(jìn)一步提高。因此,研究線圈損耗模型、設(shè)計(jì)技術(shù)、開(kāi)發(fā)新的線圈結(jié)構(gòu)來(lái)減小其損耗,也是電力電子高頻磁技術(shù)重要的研究?jī)?nèi)容,是工業(yè)界迫切需要解決的問(wèn)題。國(guó)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)此進(jìn)行了積極的研究,而國(guó)內(nèi)對(duì)磁集成等高頻磁技術(shù)進(jìn)行了一定程度的研究,但對(duì)線圈技術(shù)的研究較少。

由于單線圈結(jié)構(gòu)、散熱特性和參數(shù)一致性差,傳統(tǒng)的繞線式磁性元件已經(jīng)不能滿足開(kāi)關(guān)電源高頻化和低截面的發(fā)展趨勢(shì)。低截面平面磁性元件克服了傳統(tǒng)磁性元件的缺點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。由于平面變壓器的高功率密度和低窗口高度,以及較高的工作頻率和電流,對(duì)線圈結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)技術(shù)提出了更高的要求,尤其是高頻大電流應(yīng)用。為了考慮高頻渦流效應(yīng)采用的并聯(lián)線圈結(jié)構(gòu)和載流面積,一些傳統(tǒng)的線圈結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法不再適用。在平面變壓器中,銅箔/PCB印刷電路板線圈被廣泛使用。


平面變壓器的類型

平面變壓器分類:平面變壓器根據(jù)設(shè)計(jì)和制造工藝的不同,可分為印刷電路板(PCB)型、厚膜型、薄膜型、亞微米型。

1. 印刷電路板(PCB)型

印刷電路板(PCB)型變壓器可以節(jié)省繞組骨架,增加散熱面積,減少高頻運(yùn)行時(shí)集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)引起的渦流損耗,增加電流密度,更高可以達(dá)到20A/mm,功率大,工藝簡(jiǎn)單。但是用PCB,窗口利用率低,只有0.25~0.3,而傳統(tǒng)變壓器的窗口利用率為0.4,體積也大。PCB變壓器功率為20kW,頻率為兆赫。采用脈沖平面技術(shù),多層印刷電路板夾在磁芯之間,這種薄型而高效的鐵氧體平面變壓器底部面積小,高度只有7.4毫米,工作頻率為150 ~ 750千赫,工作溫度為-400~1300。

2. 厚膜型變壓器

厚膜型變壓器是為了克服薄膜變壓器導(dǎo)體電阻大的缺點(diǎn)而提出的。以氧化鋁為基體,采用厚膜技術(shù),在上、下表面分別印刷一次繞組和二次繞組。由鐵氧體制成的平面變壓器在2MHz時(shí)的效率為85%,輸出功率為75W。采用厚膜技術(shù)制造的平面變壓器效率普遍較低,因此尋求進(jìn)一步的技術(shù)來(lái)提高平面變壓器的厚膜技術(shù)是實(shí)現(xiàn)平面變壓器高頻集成化的關(guān)鍵。

3. 薄膜變壓器

薄膜型變壓器是利用磁性薄膜研制的一種疊層微型變壓器。變壓器高度小于1毫米,工作頻率超過(guò)1兆赫。它體積小,易于集成,但僅適用于低功耗情況。它們大多使用金屬磁性材料,如坡莫合金、鐵硅鋁和非晶合金。主要是因?yàn)樗鼈兙哂懈連S和高滲透性。Tsuijimotl等用膠帶(銅厚35μm,長(zhǎng)34mm,寬3mm)、絕緣膜(厚度100μm)和非晶CoNbZr膜(1.8μm)制作了高頻輸出電壓可控的薄膜變壓器——針孔型變壓器,還制作了厚度210μm的片式變壓器,由兩層厚度10μm的CoZr非晶膜制成,用于頻率為5V、 0.3A、 1MHz的開(kāi)關(guān)電源77.5%的鐵氧體材料(主要是MnZn系)也可以制成薄膜型變壓器,但常規(guī)方法很難制成合適的微型磁性薄膜,因此有必要開(kāi)發(fā)新的成膜技術(shù)。目前國(guó)外主要采用的沉積技術(shù)有PVD、 CVD和化學(xué)刻蝕、激光燒蝕、光照射和低溫鍍膜等。Yamaguchi K 等設(shè)計(jì)制造的微型變壓器面積只有2.4mmx3.1mm,在10兆赫時(shí)效率可達(dá)67%。

4. 亞微米型變壓器

采用化學(xué)方法合成了一種亞微米型變壓器,并以低溫(900℃)燒結(jié)的鎳鉻鐵氧體為介電材料,Ag為內(nèi)電極,采用流延和絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備,它體積小,重量輕,易于集成,工藝簡(jiǎn)單。兩種片式亞微米型變壓器的尺寸分別為2.1厘米x2.1厘米x1毫米和8毫米x8毫米x1毫米,設(shè)計(jì)變比分別為6和4,工作頻率為1~10MHz。亞微米型平面變壓器結(jié)構(gòu)新穎,改變了傳統(tǒng)變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。變壓器的一次繞組和二次繞組采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在鐵氧體材料中燒制而成,其外觀類似于表面貼裝集成電路器件。亞微米型平面變壓器的電氣性能測(cè)試表明:(1)空載條件下,變壓比隨著輸入電壓的增大先增大后減小,在范圍內(nèi)達(dá)到更大值。此外,變壓比隨著輸入信號(hào)頻率的增加而增加。(2)在一定的輸入頻率和電壓下,輸出功率隨著負(fù)載的增加先增大后減小,存在一個(gè)輸出功率較大的負(fù)載電阻值。(3)在一定的輸入電壓和輸出負(fù)載下,隨著輸入電壓頻率的增加,變壓器的變壓比逐漸增大,當(dāng)輸入電壓頻率高于某一臨界值時(shí),變壓比基本保持不變。波形畸變程度隨著輸入電壓頻率的增加而減小。(4)在固定輸入頻率下,存在飽和負(fù)載電阻值。當(dāng)負(fù)載電阻值小于飽和負(fù)載電阻值時(shí),變壓器的輸出電壓隨著負(fù)載的增加而增加,但當(dāng)負(fù)載電阻值大于飽和負(fù)載電阻值時(shí),輸出電壓變化很小或基本保持不變。隨著頻率的增加,飽和荷載的阻抗值逐漸增大。當(dāng)負(fù)載電阻值等于飽和負(fù)載電阻值時(shí),變壓器的變壓比基本不隨輸入電壓的變化而變化,但隨著輸入電壓的增加,輸入輸出電壓的波形畸變程度增大。

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