1導(dǎo)言

為了減小電力電子設(shè)備的體積和重量，其工作頻率已提高到兆赫級(jí)。眾所周知，影響功率變換器整體尺寸和重量的主要問(wèn)題是磁性元件的尺寸和重量。在這個(gè)頻率范圍內(nèi)開(kāi)發(fā)高效磁性元件時(shí)，必須注意集膚效應(yīng)和渦流損耗對(duì)繞組和鐵芯設(shè)計(jì)的限制，以及鐵芯材料和導(dǎo)體材料的品種和規(guī)格的選擇。討論了工作頻率為2MHz、功率密度大于400W/cm3、功率范圍為50~100W、輸出電壓為1.5V、效率高于99%的電子式干式變壓器的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要增加繞組的銅箔密度，使其超過(guò)常規(guī)絞合線的密度，解決銅箔纏繞技術(shù)制造多層繞組的技術(shù)難題。這種繞組省略了繞組層間的外部布線，從而形成重疊緊密的鋸齒形繞組結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)高銅箔繞組密度、低銅損耗和極低的漏電感。

2電力電子設(shè)備的小型化

隨著臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)和移動(dòng)通信等電子設(shè)備小型化和多功能的發(fā)展需求，電子元件的小型化、薄型化和輕量化逐漸得到促進(jìn)。長(zhǎng)期以來(lái)，人們特別關(guān)注能夠輸送低電壓大電流、低損耗、安裝面積小、散熱好的小型化電子干式變壓器。在這些要求下，分布式電源系統(tǒng)于20世紀(jì)80年代出現(xiàn)，這使得使用小功率元件來(lái)提供單個(gè)電路板進(jìn)行安裝成為可能。比如臺(tái)式個(gè)人電腦的開(kāi)關(guān)電源，功率200W，輸出電壓5V、12V，效率80%，封裝功率密度1W/in3。此后，通過(guò)采用新型高效電源拓?fù)浜椭C振，準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)方法降低了開(kāi)關(guān)損耗，并將工作頻率提高到MHz水平，不僅大大減小了電路中磁性元件的尺寸，還開(kāi)發(fā)了輸出功率為100W及以上、輸出電壓低至1.5V、效率為99%的緊湊型電子干式變壓器。在這種緊湊型干式變壓器的設(shè)計(jì)中，遇到的較好個(gè)問(wèn)題是在高功率密度和高效率之間進(jìn)行折衷。開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)是使用銅箔重疊的平面繞組結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加銅箔密度來(lái)減少高頻(MHz級(jí))的集膚效應(yīng)和渦流損耗。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，計(jì)算出銅箔的厚度小于4.3mil(這個(gè)厚度尺寸是2MHz頻率下銅的趨膚深度的兩倍)以制成平面環(huán)形單圈。要獲得75的二次單匝電阻值，對(duì)于51mil的內(nèi)單匝，如果其外層并聯(lián)兩層，則外單匝的半徑需要9.79英寸，如果并聯(lián)四層，則需要7英寸。因此，為了保證足夠小的安裝面積，必須將許多單匝層并聯(lián)起來(lái)，形成類似立方體的幾何結(jié)構(gòu)。

磁性電子元器件(主要是電子式干式變壓器和電感)的小型化和薄型化過(guò)程，到目前為止經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段和以下幾種類型：較好個(gè)發(fā)展階段是平面(薄型)電子式干式變壓器，如圖1和圖2所示。現(xiàn)在已經(jīng)系列化量產(chǎn)了。第二個(gè)發(fā)展階段是芯片干式變壓器和電感，如圖3和圖4所示。它們是隨著SMT技術(shù)的發(fā)展而逐漸完善的，目前已經(jīng)形成系列和批次。第三個(gè)發(fā)展階段是薄膜干式變壓器和電感器，如圖5所示，已經(jīng)小批量生產(chǎn)。這四個(gè)階段發(fā)展起來(lái)的各種類型的干式變壓器電感都有各自的應(yīng)用領(lǐng)域，并沒(méi)有隨著發(fā)展階段而被完全取代。與常規(guī)的三維干式變壓器電感相比，小型、薄型、輕量化的干式變壓器電感具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如表1所示。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

上述小型化磁性元件的制造工藝可以說(shuō)是比較成熟的，但是平面繞線型、PCB型及其混合磁性元件并不適合極低電阻的磁性元件。此外，PCB制造方法中的磁性元件通過(guò)外部引腳在層間互連，顯著增加了互連電阻，限制了更多層線圈的使用。在混合元件的制造中，很容易受到厚膜粘合劑相對(duì)較大的電阻率和印刷導(dǎo)體厚度的限制。但是很多重疊層的平面銅箔繞組可以獲得極低的電阻，這主要受到小電流單層設(shè)計(jì)和桶形繞組結(jié)構(gòu)的限制。

在本文討論的干式變壓器的設(shè)計(jì)和制造中，研究了多種柔性繞組的方法，其中印刷電路板銅箔印刷繞組包括制作層間互連線，從而獲得鋸齒形折疊的多層初級(jí)繞組；二次繞組可以通過(guò)類似的方式進(jìn)行曲折折疊，在銅箔上引出中心抽頭，將銅箔的輸出端焊接在每層銅箔上，并將每層的輸出端并聯(lián)。在Z形層壓板的制造過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)采用合適的一次層之間的重疊順序，以確保一次層和二次層之間的緊密重疊。

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