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直流电源设计中平面隔离变压器的应用

文章来源:稳压电源公司,时间:2017-09-14 10:12    点击量:

    平面隔离变压器发展的必然性由于涡流效应,在高工作频率和大电流下,磁元件线圈损耗显着增加,这不仅降低了效率,而且引起温升增大,增加了热设计困难,限制了开关功 率变换器功率密度的进一步提高.因此研究线圈损 耗模型、设计技术、开发新型线圈结构以减小其损耗在工业界有迫切的要求,这也是电力电子高频 磁技术一个非常重要的研究内容.国外学术界与工业界对此展开了积极研究,国内虽对磁集成等高频 磁技术展开了一定的研究但对线圈技术的研究则较少.

直流电源设计中平面隔离变压器的应用
    传统的绕线式磁元件,由于线圈结构单一、散 热特性以及参数一致性差等问题,已无法满足开关直流电源高频化和低截面的发展趋势.具有低截面的平 面磁元件(planar magnetic components)很好克服了传统磁元件的不足,获得广泛应用.由于平面隔离变压器功率密度高、窗口高度低,而且工作频率与电 流越来越高,对线圈结构和设计技术提出更高的要求,尤其是对于高频率和大电流的应用场合,为了兼顾高频涡流效应和载流面积所采用的并联线圈结构,一些传统的线圈结构和设计方法不再适用.

    在平面隔离变压器中,铜箔/直流电源PCB 印刷直流电源电路板(printed circuit board)线圈应用广泛.

    平面隔离变压器的几个种类平面隔离变压器的分类 :平面隔离变压器按设计制作工艺的不同,可分为印刷直流电源电路(直流电源PCB)型,厚膜型、薄膜型、亚微米型4种,今天重点讲述的是直流电源PCB型平面隔离变压器!

    1, 直流电源PCB 型隔离变压器印刷直流电源电路PCB(printed  circuit board)型隔离变压器可省去绕组骨架,能增大散热面积,能减小在高频工作时由集肤效应和邻近效应所引起的涡流损耗,也能增大电流密度,其电流密度最高可达 20A/mm,功率大,工艺简单.但用 直流电源PCB,窗口利用率低,仅为0.25~0.3,传统隔离变压器的窗口利用率为 0.4,其体积也较大.直流电源PCB 型隔离变压器其功率可高达 20kW ,频率可达兆赫数量级.采用 pulse 的平面技术,多层 直流电源PCB 夹在磁芯之间,薄型高效铁氧体平面隔离变压器,其底部面积小,高度只有7.4mm,工作频率为 150~750kHz,工作温度为-400~1300.

    2,厚膜隔离变压器厚膜隔离变压器是为了克服薄膜隔离变压器中导体电阻大的缺陷而提出的.以氧化铝作基体,采用厚膜工艺,在其上、下表面各印制了初级和次级绕组,用铁氧体制作的平面隔离变压器在 2MHz,输出功率为 75W 时,效率达 85%.厚膜工艺制造出的平面隔离变压器效率一般较低,因此寻求更进一步的工艺技术以完善平面隔离变压器制造的厚膜工艺是实现平面隔离变压器高频集成化的关键.

    3, 薄膜型隔离变压器薄膜型隔离变压器是一种用磁性薄膜研制的叠层微型隔离变压器,采用薄膜后高度低于 1mm,工作频率超过 1MHz,其体积小,易于集成,但只适用于小功率情况.它们绝大多数采用金属磁性材料,如坡莫合金、铁硅铝和非晶合金.主要是因为它们有高 BS 和高磁导率.Tsuijimotl 等人用带式(铜厚 35μm,长 34mm,宽 3mm)加以绝缘膜(厚 100μm),非晶 CoNbZr 膜(1.8μm)构成一种能在高频下输出电压可控的薄膜隔离变压器--针孔型隔离变压器.

    还制成了厚度为 210μm的片式隔离变压器.它是采用两层 10μm 厚的 CoZr 非晶薄膜做成的,用于 5V、0.3A、1MHz 的开关直流电源,77.5% 铁氧体材料(以 MnZn系为主)也可以制成薄膜型隔离变压器,但用常规的方法很难制出合适的微型磁膜,故需开发新的成膜技术.目前国外主要采用 PVD、CVD 等沉积技术配合化学蚀刻,激光烧蚀法、光照射低温镀膜法等成膜技术.Yamaguchi K 等设计制作的微型隔离变压器,其面积只有2.4mm×3.1mm,在 10MHz 时效率可达 67%.

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