電子變壓器的較新發(fā)展

  傳統(tǒng)的電子變壓器一般都是在普通鐵氧體磁芯上纏繞銅線繞組,體積比較大,轉換效率不高?隨著電子技術和信息技術的飛速發(fā)展,各種電子設備?信息設備的體積和重量都在不斷地縮減?近年來,以移動電話和筆記本電腦為主的各種便攜式裝置的需求量在成倍增長,更加要求電子系統(tǒng)體積小?重量輕?具有可移動性和能夠模塊化?在這些裝置中,電源適配器部分是影響體積重量的主要因素?這是因為電源適配器內部存在磁性元件,包括變壓器和電感器?由于要滿足一定功率容量的要求,不可能像電阻?電容那樣大幅度減小體積和重量?但是,電源適配器技術也在不斷發(fā)展,工作頻率的大幅度提高使磁性元件的體積大大縮小,可以實現(xiàn)變壓器?電感器的微型化?近年來,微型變壓器在計算機?通信?航空航天領域大量出現(xiàn)?目前,國內外已出現(xiàn)了平面變壓器?集成變壓器和采用微制造工藝的芯片形式的微型變壓器

1.微型變壓器的特點和種類

  微型變壓器依然是利用電磁感應原理將電能在兩個電路之間傳遞,其基本結構與常規(guī)變壓器一樣,由磁芯和繞組構成?微型變壓器和常規(guī)變壓器較主要的區(qū)別在于磁芯的尺寸?形狀和繞組的結構?微型變壓器與常規(guī)變壓器相比,磁芯尺寸大幅度縮小,截面積與高度的比值更大?微型變壓器的繞組由疊式銅箔?印制電路板上的印制銅線條或直接沉積于磁性薄膜上的銅線條構成?而傳統(tǒng)變壓器的繞組用漆包線或多股絞合線繞制?微型變壓器具有功率密度高、效率高?漏感低?散熱性好?成本低等優(yōu)點。

  目前,微型變壓器主要可分為三類:第一類是以鐵氧體為磁芯,折疊銅箔或印制線路為繞組的平面變壓器;第二類是采用濺射或化學沉積等微制造技術制作的薄膜變壓器;第三類是其他類型的微型變壓器,包括鐵氧體粉末制成的集成變壓器和非晶帶疊合成碳芯的參數(shù)振蕩變壓器等

2.鐵氧體平面變壓器

鐵氧體平面變壓器是目前技術較成熟?應用較廣泛的微型變壓器?它采用高頻損耗低的平面鐵氧體磁芯,繞組采用印制銅線條的多層印制板或折疊銅箔代替漆包線及骨架?

Signal Transformer公司的平面變壓器具有此類變壓器的典型特點?變壓器由精確的銅引線框或一個(或幾個)平面銅螺旋線,刻蝕在薄絕緣材料板上?螺旋線和引線框疊在扁平的高頻鐵氧體磁芯上形成變壓器磁路?磁芯材料用小直徑顆粒的樹脂膠合以降低損耗?螺旋線或引線框疊層內的高溫絕緣體可確保繞組間的高度隔離?這些平面變壓器用大約一半的尺寸和重量就能提供與常規(guī)變壓器相同的功率?在開關頻率為500kHz時,效率可達97%?在高頻狀態(tài)下,由于集膚效應,電流在圓柱形導線內沿著導線表面附近區(qū)域流動,使銅導線沒有被有效地利用?在平面變壓器中,繞組實際上是0.14mm敷銅板上的扁平銅線條?在扁平銅線條中,雖然有集膚效應,但電流是流過整個導體截面的導體利用率高?具有扁平繞組的平面變壓器與常規(guī)線繞變壓器相比,尺寸小,效率高?習

  Philips公司以其平面磁芯技術,生產集成電感元件(IC)系列,采用小型單件模壓鐵氧體磁芯,磁芯上刻有0.75mm的細槽,用于將銅引線框架插入磁芯?引線框架上的10根引線,每根從磁芯上細槽的一端穿到另一端并彎折成標準的歐翼形狀,構成電感繞組的半匝?印制電路板上的銅連線則完成另外的半匝?使電感元件也可以用高速自動裝配機裝配

  上述公司制作的平面變壓器,印制線條不可能做得很厚,限制了繞組的較大電流,變壓器設計功率一般比較小,多用于電源適配器中的小功率變壓隔離器目前,模塊電源適配器中常用低壓大電流輸出,一般功率在100W以上?繞組匝數(shù)不多,要求通過的電流較大,往往在10A以上?因此,要求繞組副邊銅導線截面積很大,一般采用銅箔作為繞組?一種是圓環(huán)式,利用印制板工藝制作多層繞組,如匝數(shù)為6的繞組,實際上由三個雙面PCB組成,雙面板每一面上的線匝經明孔或暗孔以串聯(lián)連接?每層導體都有向外伸出的連接片,相鄰的雙面板靠連接片上的焊孔相連?但是,連接點不僅給制作帶來難度,同時也影響可靠性

  另一種是新的折疊式繞組設計?由于相鄰環(huán)形導體中心連線之間有一定的夾角a,每一環(huán)形導體所形成的匝數(shù)實際上只有(1-a/360°),較大數(shù)值為5/6(a=60°)?這種方案使線圈匝數(shù)在磁芯窗口高度受到限制時比前一種方案應用得更多,缺點是相鄰折疊線不平行,交錯布置初級和次繞組以減小漏感和高頻損耗不是很方便?

  Flat Transformer Technology公司在其變壓器和電感器中采用了一種獨特的磁芯配置結構,能在優(yōu)化磁性能的同時,縮小元件的物理尺寸?常規(guī)變壓器采用的方法是在單個磁芯上做上多匝繞組,FTT公司則是在多個磁芯上用單匝(或匝數(shù)很少)的初級繞組,采用一種模塊式方案,如圖3-1所示?一個FTI-12X2A-1B模塊采用兩個鐵氧體磁芯,同時有頂板?底板和一個延伸部分,以便連接整流器,如圖3-2所示?次級繞組是粘接到矩形鐵氧體磁芯內表面的一對銅片,沿著180°的螺旋式通路繞成?每個磁芯相對的各端就是同一繞組的各端,熱傳遞只在鐵氧體磁芯的薄壁內進行?初級繞組不用模塊設計,而是由用戶自己決定其導線數(shù)量?根據(jù)對電源適配器設計的要求,可以組合任何數(shù)量的模塊,并調整初級繞組的繞線數(shù)量,以求得預期的匝數(shù)比和電流量?這種配置可以得到很高的功率密度,輸出電流很大,單個模塊可達到30A每個模塊的功率可達100~120W?

  3.采用微制造技術的薄膜變

  在各類微型變壓器中,采用真空濺射?化學沉積等方法制成的變壓器,體積較小,只有幾個毫米見方,1~2mm厚,使變壓器達到了IC水平,是真正的平面變壓器?這類磁性元件的研究在日本和美國已經取得了很大成果,近年來發(fā)表了許多關于其性能及各種應用的報道

  日本有人研制了 Fecobo非晶態(tài)磁性薄膜電感器?它是一種通過絕緣膜將串聯(lián)且相互反繞的長方形螺旋線圈的上下兩面與軟磁性薄膜疊合的平面多層結構?在硅基板上采用燒結體靶的直流磁控濺射方法形成 Fecobc磁性薄膜,再通過鋁氮化反應,形成 AIN絕緣膜和Fe-CoBC膜相疊合的多層磁性薄膜?銅線圈采用H2SO4/CuSO4和添加劑,用電鍍液通過電解電鍍法形成?下磁性薄膜與上磁性薄膜的絕緣是用硅氮化反應性直流磁控濺射方法形成的一層5pm的SiNx薄膜?線圈間隙及與上磁性薄膜的絕緣物充填,通過聚酰亞胺旋轉涂敷/焙烘的方法完成

  這種電感器的頻率在兆赫級上,安裝在幾瓦級輸出功率的變換器上,性能十分良好?與其配置的電源適配器厚度為2mm,體積為0.5cm3,較大輸出功率為3W,輸出功率為1.5W時的效率約為80%以上是利用磁控濺射法制作的電感器?日本還有人研制了用離子束濺射法制作的變壓?