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(zhuǎn)換效率不高?隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展,各種電子設(shè)備?信息設(shè)備的體積和重量都在不斷地縮減?近年來,以移動(dòng)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(zhǎng),更加要求電子系統(tǒng)體積小?重量輕?具有可移動(dòng)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?yàn)殡娫催m配器內(nèi)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(shù)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(shí)現(xiàn)變壓器?電感器的微型化?近年來,微型變壓器在計(jì)算機(jī)?通信?航空航天領(lǐng)域大量出現(xiàn)?目前,國(guó)內(nèi)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(diǎn)和種類

  微型變壓器依然是利用電磁感應(yīng)原理將電能在兩個(gè)電路之間傳遞,其基本結(jié)構(gòu)與常規(guī)變壓器一樣,由磁芯和繞組構(gòu)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(jié)構(gòu)?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(gòu)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(diǎn)。

  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(xué)沉積等微制造技術(shù)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(shù)較成熟?應(yīng)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(diǎn)?變壓器由精確的銅引線框或一個(gè)(或幾個(gè))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(nèi)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(guān)頻率為500kHz時(shí),效率可達(dá)97%?在高頻狀態(tài)下,由于集膚效應(yīng),電流在圓柱形導(dǎo)線內(nèi)沿著導(dǎo)線表面附近區(qū)域流動(dòng),使銅導(dǎo)線沒有被有效地利用?在平面變壓器中,繞組實(shí)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(yīng),但電流是流過整個(gè)導(dǎo)體截面的導(dǎo)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(xí)

  Philips公司以其平面磁芯技術(shù),生產(chǎn)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(xì)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(xì)槽的一端穿到另一端并彎折成標(biāo)準(zhǔn)的歐翼形狀,構(gòu)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(dòng)裝配機(jī)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(shè)計(jì)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(dǎo)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(shí)際上由三個(gè)雙面PCB組成,雙面板每一面上的線匝經(jīng)明孔或暗孔以串聯(lián)連接?每層導(dǎo)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(diǎn)不僅給制作帶來難度,同時(shí)也影響可靠性

  另一種是新的折疊式繞組設(shè)計(jì)?由于相鄰環(huán)形導(dǎo)體中心連線之間有一定的夾角a,每一環(huán)形導(dǎo)體所形成的匝數(shù)實(shí)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(shí)比前一種方案應(yīng)用得更多,缺點(diǎn)是相鄰折疊線不平行,交錯(cuò)布置初級(jí)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(dú)特的磁芯配置結(jié)構(gòu),能在優(yōu)化磁性能的同時(shí),縮小元件的物理尺寸?常規(guī)變壓器采用的方法是在單個(gè)磁芯上做上多匝繞組,FTT公司則是在多個(gè)磁芯上用單匝(或匝數(shù)很少)的初級(jí)繞組,采用一種模塊式方案,如圖3-1所示?一個(gè)FTI-12X2A-1B模塊采用兩個(gè)鐵氧體磁芯,同時(shí)有頂板?底板和一個(gè)延伸部分,以便連接整流器,如圖3-2所示?次級(jí)繞組是粘接到矩形鐵氧體磁芯內(nèi)表面的一對(duì)銅片,沿著180°的螺旋式通路繞成?每個(gè)磁芯相對(duì)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(nèi)進(jìn)行?初級(jí)繞組不用模塊設(shè)計(jì),而是由用戶自己決定其導(dǎo)線數(shù)量?根據(jù)對(duì)電源適配器設(shè)計(jì)的要求,可以組合任何數(shù)量的模塊,并調(diào)整初級(jí)繞組的繞線數(shù)量,以求得預(yù)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(gè)模塊可達(dá)到30A每個(gè)模塊的功率可達(dá)100~120W?

  3.采用微制造技術(shù)的薄膜變

  在各類微型變壓器中,采用真空濺射?化學(xué)沉積等方法制成的變壓器,體積較小,只有幾個(gè)毫米見方,1~2mm厚,使變壓器達(dá)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(guó)已經(jīng)取得了很大成果,近年來發(fā)表了許多關(guān)于其性能及各種應(yīng)用的報(bào)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)?在硅基板上采用燒結(jié)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(yīng),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(yīng)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(zhuǎn)涂敷/焙烘的方法完成

  這種電感器的頻率在兆赫級(jí)上,安裝在幾瓦級(jí)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(shí)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?