高功率密度高頻電源變壓器的應用

    為了減小電力電子設備的尺寸與重量，現已將其工作頻率提高到了MHz級。眾所周知，影響功率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。在研制這個頻率范圍的高效磁性元件時，必須重點關注其趨膚效應和渦流損耗給繞組和磁心設計以及相應地給磁心材料和導體材料品種規格的選用所帶來的種種限制。本文對工作頻率為2MHz，功率密度大于400W/cm3，功率范圍在50~100W，輸出電壓為1.5V，效率高于99%的電子變壓器設計進行討論。為了達到上述指標，首先必須增加繞組的銅箔密度，使其超過常規多股絞合線的密度，并解決以銅箔曲繞技術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，這樣就構成了緊密交疊的Z字形繞組結構，以此實現了高的銅箔繞組密度，低銅損和極低的漏感。 

    電力電子設備的小型化問題 

    電子元器件的小、薄、輕量化是隨桌面個人計算機、手提電腦和移動通信等電子設備的小型化和多功能化發展需求而被逐步推進的。由于在電子設備中，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變壓器就特別關注。在這些要求下，上世紀80年代即出現了分布式電源系統，致使可以采用小型電源組件供給單個電路板安裝。例如，提供桌面個人計算機的開關電源具備了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構和諧振，準諧振開關法以減小開關損耗，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，而且開發出了100W及以上輸出功率，輸出電壓低達1.5V，效率為99%的緊湊型電子變壓器。

    這種緊湊型變壓器的設計，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是使用銅箔交疊的平面繞組結構，以增加銅箔密度的方法減小在高頻（MHz級）范圍內的趨膚效應和渦流損耗。有文獻報道，據計算，采用的銅箔厚度小于4.3mil（密耳）（此厚度尺寸為2MHz頻率時，銅之趨膚深度的兩倍）制成平面環形單匝，若要得到75μΩ的次級單匝電阻值，對于51mil的內層單匝而言，如果其外層采取兩層并聯，則外層單匝半徑需要9.79寸，如果是四層并聯，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起來，形成一種近似于立方體的幾何結構。