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直流变换器中微型变压器的电气性能及其应用

北极星电力网新闻中心  来源:21ic中国电子网    2012/11/5 15:10:38  我要投稿  
所属频道: 电网   关键词: 变压器 微型变压器 电容器

北极星变压器网讯:1、 前言

减小便携式电子装置体积的发展趋势,正推动着电感器、电容器变压器这类无源元件在硅基片的集成。过去十年,对硅基片上磁性薄膜元件的设计、制造和特性进行过很多研究。已开发出的微型变压器和电感器的制造工艺,多数都采用电沉积技术。有人已证明了用薄膜磁性元件与其他功率变换用元件集成的可行性。已制成了与肖特基二极管集成的薄膜变压器。有人把薄膜电感器集成到集成功率开关和控制电路系统上,制成一种1W直流变换器,但达到的功率密度,其典型值为1W/级。其他人达到了较高的功率密度,他们报道的微型变压器的功率密度22.4W/,效率为43%。最近,还有人报告了他们使用薄膜电感器的微型变换器,其效率高达83%,输出功率1.5W。

本文介绍提高功率密度和效率的新设计与制造技术。要优化微型变压器的设计,必须有一种能够快速评价多种变压器设计的模拟技术。与繁琐的数字法相反,采用分析法进行模拟。本文介绍制得的E型磁芯微型变压器的电气性能及其在直流变换器中的应用,把测量结果同分析模拟的数据进行对比。

2、 微型变压器的设计与制作

变压器结构的平面图示于图1,这是一种E磁芯型微型变压器,由两个交错运动场式电磁隔离线圈夹在磁性材料薄层之间构成。有人已证明,采用E型磁芯设计,比环型磁芯功率密度高。采用不同的几何结构参数设计成变压器系列,工作频率均为5MHz。每种器件设计的详细资料列于表1中。

变压器采用光刻和溅射、电镀沉积法制作在硅基片上。用电镀坡莫合金(),形成变压器磁芯。用介电材料(BCB),使底部磁芯与导体绝缘。经过厚光刻胶图形电镀铜,制成厚43μm的绕组。然后把这种光刻胶旋涂在导体上,在导体和顶层磁芯之间形成绝缘层。最后,电镀顶层坡莫合金,制成使顶层磁芯底部磁芯相连接的图形,构成闭合磁芯。制得的微型变压器示如图2。把最终制成的器件切成小块,用板上片式技术单个封装。

3 、电气性能

封装好的变压器的电气参数,用HP4195型阻扰分析仪测定。图3绘出B、C、D、E四种微型变压器的开路电感测量值。在所有情况下,到5MHz以前的电感量都保持恒定。磁芯最长(17mm)的变压器D,电感值(0.9μH)最大。

4 、微型变压器模拟

为了彻底弄清制成的变压器特性并能预测它们的指标,必须对磁结构进行模拟。可以用有限元件(ANSOFT麦克斯韦二维法),精确预测性能指标:采用涡流场计算器,并认为磁性材料是线性的。但要探索其优化措施,还是用速度较快的模拟程序更好一些。因此,采用分析法来模拟变压器。

分析模型建立在确定变压器等效电路模拟各单元的基础上,其中忽略寄生电容。与频率相关的电阻和漏感,用Dowell提出的方法计算。虽然只考虑了一维作用,但发现这种方法用于单层高宽比大的线圈是合理的。增大导体的高宽比,可以提高这种模拟的精确度。计算磁芯电感和电阻Rc,采用建立在无限长薄膜内一维解麦克斯韦方程基础上的磁芯模型。由此可以得到磁芯电感及其中的涡流损耗与频率相关模型。分析中,不包括磁芯中的磁滞损耗。

微型变压器D开路(Los)和短路(Lsc)电感量随频率变化的测量值和用分析模型计算值之间的比较,图中同时绘出了用有限元分析法得到的仿真值。在运用分析模型和FEA仿真这两种情况下,同测量值比较,磁性材料参数必须为已知值。坡莫合金层的电导率用四点探测法测定,其磁导率根据用环形式样测得的电感量确定。从图4看出,开路电感测量值与模拟值十分接近。短路测量可给出微型变压器漏感的概念。但是低频下,因磁化电感量很小,磁化电阻抗也很小,这种变压器不能看作为理想变压器工作。其结果是,短路测量时部分磁化电感量(Lm)被反射。从1MHz起,测得的短路电感值(0.4μH)只考虑了漏感(L1);同用有限元仿真预测的漏感对比,可以确定这个漏感值。分析模拟在全频段范围内同测量完全相符。

变压器D在开路和短路中测得的和模拟的电阻值随频率变化的曲线进行对比。到1MHz以前,其电阻值大约为1Ω。图中这种低电阻说明,厚铜导体涂层(43μm)是对的。超过1MHz,结构中损耗使电阻增大。可以精确预测绕组的损耗。不过,高频下损耗中磁芯损耗(涡流损耗和磁滞损耗)占优势。由于这种模型不包括磁滞损耗,这就部分地说明为什么要从20MHz开始,此种分析模拟与测量不相符。还要注意到,在这个频率附近器件达到共振频率(70MHz),因此,电容作用可能使电阻再增大。

根据上述分析可以得出结论:分析模拟法可令人满意地表达变压器的开路和短路特性,特别是在到5MHz实用的工作频率范围以内。

5 、直流变换器中的微型变压器

把微型变压器D用在工作在2MHz的全桥式直流变换器中。图6绘出测量和计算得输入电流(Iin)与输出功率(Pout)同输入电压(Vin)的关系曲线。当Vin=4.5V时得到最大输出功率0.4W,之后变压器磁芯饱和。

Vin>2V时,Iin模拟量与测量值不相符。这是因为模拟中假设材料的磁导率是线性的,而实际上,接近饱和,磁导率会减小对磁化电感的作用,因此输入电流增大。

变换效率,用测得输出功率与输入功率之比来确定。Vin>2V时,测得的效率为40%。模拟预测,用相同的输入电压可使效率达到50%。其间的差异,可能是因在模拟中不包括磁滞损耗引起的。

根据这些测量看出,微型变压器的功率容量和变换效率可以提高。把工作频率提高到5MHz(最初的设计标准),在Vin=12时,模拟预测的输出功率会达到2.2W,而在2MHz仅为0.4W。增大磁芯材料厚度,也会有利于变压器在较高的电压下工作。

精确地分析损耗可以看出,由于Lm低,初级绕组损耗占优势。用高宽比为2:1的导体,可以减小绕组电阻,模拟预测的效率将提高到75%。另一方面,用较厚的磁芯能解决低磁化电感问题。采用叠层,可以防止涡流在磁芯中产生较大的损耗。未来的工作,将在模型中集中考虑磁滞损耗和电容作用的问题。

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