1導言

為了減小電力電子設備的體積和重量，其工作頻率已提高到兆赫級。眾所周知，影響功率變換器整體尺寸和重量的主要問題是磁性元件的尺寸和重量。在這個頻率范圍內(nèi)開發(fā)高效磁性元件時，必須注意集膚效應和渦流損耗對繞組和鐵芯設計的限制，以及鐵芯材料和導體材料的品種和規(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計。為了實現(xiàn)上述目標，需要增加繞組的銅箔密度，使其超過常規(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電力電子設備的小型化

隨著臺式個人計算機、便攜式計算機和移動通信等電子設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。長期以來，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80年代出現(xiàn)，這使得使用小功率元件來提供單個電路板進行安裝成為可能。比如臺式個人電腦的開關(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，通過采用新型高效電源拓撲和諧振，準諧振開關(guān)方法降低了開關(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計中，遇到的較好個問題是在高功率密度和高效率之間進行折衷。開發(fā)的主要技術(shù)是使用銅箔重疊的平面繞組結(jié)構(gòu)，通過增加銅箔密度來減少高頻(MHz級)的集膚效應和渦流損耗。根據(jù)文獻報道，計算出銅箔的厚度小于4.3mil(這個厚度尺寸是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，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程，到目前為止經(jīng)歷了三個發(fā)展階段和以下幾種類型：較好個發(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)。這四個階段發(fā)展起來的各種類型的干式變壓器電感都有各自的應用領(lǐng)域，并沒有隨著發(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，如表1所示。 #p#分頁標題#e#

上述小型化磁性元件的制造工藝可以說是比較成熟的，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較大的電阻率和印刷導體厚度的限制。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計和桶形繞組結(jié)構(gòu)的限制。

在本文討論的干式變壓器的設計和制造中，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繞組；二次繞組可以通過類似的方式進行曲折折疊，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形層壓板的制造過程中，應同時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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