高功率密度高頻電源變壓器的應(yīng)用
為了減小電力電子設(shè)備的尺寸與重量，現(xiàn)已將其工作頻率提高到了MHz級(jí)。眾所周知，影響功率變換器整體尺寸與重量的主要問題是其中磁性元件的尺寸重量。在研制這個(gè)頻率范圍的高效磁性元件時(shí)，必須重點(diǎn)關(guān)注其趨膚效應(yīng)和渦流損耗給繞組和磁心設(shè)計(jì)以及相應(yīng)地給磁心材料和導(dǎo)體材料品種規(guī)格的選用所帶來的種種限制。本文對(duì)工作頻率為2MHz，功率密度大于400W/cm3，功率范圍在50~100W，輸出電壓為1.5V，效率高于99%的電子變壓器設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。為了達(dá)到上述指標(biāo)，首先必須增加繞組的銅箔密度，使其超過常規(guī)多股絞合線的密度，并解決以銅箔曲繞技術(shù)制造多層繞組的工藝問題。這種繞組省去了繞組層間的外連線，這樣就構(gòu)成了緊密交疊的Z字形繞組結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)了高的銅箔繞組密度，低銅損和極低的漏感。
電力電子設(shè)備的小型化問題
電子元器件的小、薄、輕量化是隨桌面?zhèn)�人計(jì)算機(jī)、手提電腦和移動(dòng)通信等電子設(shè)備的小型化和多功能化發(fā)展需求而被逐步推進(jìn)的。由于在電子設(shè)備中，磁性元件占其體積重量的比例在25%以上，所以，長(zhǎng)期以來，人們對(duì)于能夠輸送低電壓大電流、低損耗且占用安裝面積小、散熱性好等性能的小型化電子變壓器就特別關(guān)注。在這些要求下，上世紀(jì)80年代即出現(xiàn)了分布式電源系統(tǒng)，致使可以采用小型電源組件供給單個(gè)電路板安裝。例如，提供桌面?zhèn)�人計(jì)算機(jī)的開關(guān)電源具備了200W功率，輸出電壓為5V和12V，效率為80%，封裝功率密度為1W/in3。此后，隨采用新的高效電源拓樸結(jié)構(gòu)和諧振，準(zhǔn)諧振開關(guān)法以減小開關(guān)損耗，且工作頻率提高到MHz級(jí)，不僅使電路中的磁性元件的尺寸大大減小，而且開發(fā)出了100W及以上輸出功率，輸出電壓低達(dá)1.5V，效率為99%的緊湊型電子變壓器。
這種緊湊型變壓器的設(shè)計(jì)，首先遇到的問題是要在高功率密度和高效率兩者間作折衷選擇，其研制出的主要技術(shù)是使用銅箔交疊的平面繞組結(jié)構(gòu)，以增加銅箔密度的方法減小在高頻（MHz級(jí)）范圍內(nèi)的趨膚效應(yīng)和渦流損耗。有文獻(xiàn)報(bào)道，據(jù)計(jì)算，采用的銅箔厚度小于4.3mil（密耳）（此厚度尺寸為2MHz頻率時(shí)，銅之趨膚深度的兩倍）制成平面環(huán)形單匝，若要得到75μΩ的次級(jí)單匝電阻值，對(duì)于51mil的內(nèi)層單匝而言，如果其外層采取兩層并聯(lián)，則外層單匝半徑需要9.79寸，如果是四層并聯(lián)，則為7寸。所以，為了保證獲得足夠小的安裝面積，必須將許多單匝層并聯(lián)起來，形成一種近似于立方體的幾何結(jié)構(gòu)。
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