电子变压器的最新发展

  传统的电子变压器一般都是在普通铁氧体磁芯上缠绕铜线绕组,体积比较大,转换效率不高｡随着电子技术和信息技术的飞速发展,各种电子设备､信息设备的体积和重量都在不断地缩减｡近年来,以移动电话和笔记本电脑为主的各种便携式装置的需求量在成倍增长,更加要求电子系统体积小､重量轻､具有可移动性和能够模块化｡在这些装置中,电源适配器部分是影响体积重量的主要因素｡这是因为电源适配器内部存在磁性元件,包括变压器和电感器｡由于要满足一定功率容量的要求,不可能像电阻､电容那样大幅度减小体积和重量｡但是,电源适配器技术也在不断发展,工作频率的大幅度提高使磁性元件的体积大大缩小,可以实现变压器､电感器的微型化｡近年来,微型变压器在计算机､通信､航空航天领域大量出现｡目前,国内外已出现了平面变压器､集成变压器和采用微制造工艺的芯片形式的微型变压器

1.微型变压器的特点和种类

  微型变压器依然是利用电磁感应原理将电能在两个电路之间传递,其基本结构与常规变压器一样,由磁芯和绕组构成｡微型变压器和常规变压器最主要的区别在于磁芯的尺寸､形状和绕组的结构｡微型变压器与常规变压器相比,磁芯尺寸大幅度缩小,截面积与高度的比值更大｡微型变压器的绕组由叠式铜箔､印制电路板上的印制铜线条或直接沉积于磁性薄膜上的铜线条构成｡而传统变压器的绕组用漆包线或多股绞合线绕制｡微型变压器具有功率密度高、效率高､漏感低､散热性好､成本低等优点。

  目前,微型变压器主要可分为三类:第一类是以铁氧体为磁芯,折叠铜箔或印制线路为绕组的平面变压器;第二类是采用溅射或化学沉积等微制造技术制作的薄膜变压器;第三类是其他类型的微型变压器,包括铁氧体粉末制成的集成变压器和非晶带叠合成碳芯的参数振荡变压器等

2.铁氧体平面变压器

铁氧体平面变压器是目前技术最成熟､应用最广泛的微型变压器｡它采用高频损耗低的平面铁氧体磁芯,绕组采用印制铜线条的多层印制板或折叠铜箔代替漆包线及骨架｡

Signal Transformer公司的平面变压器具有此类变压器的典型特点｡变压器由精确的铜引线框或一个(或几个)平面铜螺旋线,刻蚀在薄绝缘材料板上｡螺旋线和引线框叠在扁平的高频铁氧体磁芯上形成变压器磁路｡磁芯材料用小直径颗粒的树脂胶合以降低损耗｡螺旋线或引线框叠层内的高温绝缘体可确保绕组间的高度隔离｡这些平面变压器用大约一半的尺寸和重量就能提供与常规变压器相同的功率｡在开关频率为500kHz时,效率可达97%｡在高频状态下,由于集肤效应,电流在圆柱形导线内沿着导线表面附近区域流动,使铜导线没有被有效地利用｡在平面变压器中,绕组实际上是0.14mm敷铜板上的扁平铜线条｡在扁平铜线条中,虽然有集肤效应,但电流是流过整个导体截面的导体利用率高｡具有扁平绕组的平面变压器与常规线绕变压器相比,尺寸小,效率高｡习

  Philips公司以其平面磁芯技术,生产集成电感元件(IC)系列,采用小型单件模压铁氧体磁芯,磁芯上刻有0.75mm的细槽,用于将铜引线框架插入磁芯｡引线框架上的10根引线,每根从磁芯上细槽的一端穿到另一端并弯折成标准的欧翼形状,构成电感绕组的半匝｡印制电路板上的铜连线则完成另外的半匝｡使电感元件也可以用高速自动装配机装配

  上述公司制作的平面变压器,印制线条不可能做得很厚,限制了绕组的最大电流,变压器设计功率一般比较小,多用于电源适配器中的小功率变压隔离器目前,模块电源适配器中常用低压大电流输出,一般功率在100W以上｡绕组匝数不多,要求通过的电流较大,往往在10A以上｡因此,要求绕组副边铜导线截面积很大,一般采用铜箔作为绕组｡一种是圆环式,利用印制板工艺制作多层绕组,如匝数为6的绕组,实际上由三个双面PCB组成,双面板每一面上的线匝经明孔或暗孔以串联连接｡每层导体都有向外伸出的连接片,相邻的双面板靠连接片上的焊孔相连｡但是,连接点不仅给制作带来难度,同时也影响可靠性

  另一种是新的折叠式绕组设计｡由于相邻环形导体中心连线之间有一定的夹角a,每一环形导体所形成的匝数实际上只有(1-a/360°),最大数值为5/6(a=60°)｡这种方案使线圈匝数在磁芯窗口高度受到限制时比前一种方案应用得更多,缺点是相邻折叠线不平行,交错布置初级和次绕组以减小漏感和高频损耗不是很方便｡

  Flat Transformer Technology公司在其变压器和电感器中采用了一种独特的磁芯配置结构,能在优化磁性能的同时,缩小元件的物理尺寸｡常规变压器采用的方法是在单个磁芯上做上多匝绕组,FTT公司则是在多个磁芯上用单匝(或匝数很少)的初级绕组,采用一种模块式方案,如图3-1所示｡一个FTI-12X2A-1B模块采用两个铁氧体磁芯,同时有顶板､底板和一个延伸部分,以便连接整流器,如图3-2所示｡次级绕组是粘接到矩形铁氧体磁芯内表面的一对铜片,沿着180°的螺旋式通路绕成｡每个磁芯相对的各端就是同一绕组的各端,热传递只在铁氧体磁芯的薄壁内进行｡初级绕组不用模块设计,而是由用户自己决定其导线数量｡根据对电源适配器设计的要求,可以组合任何数量的模块,并调整初级绕组的绕线数量,以求得预期的匝数比和电流量｡这种配置可以得到很高的功率密度,输出电流很大,单个模块可达到30A每个模块的功率可达100~120W｡

  3.采用微制造技术的薄膜变

  在各类微型变压器中,采用真空溅射､化学沉积等方法制成的变压器,体积最小,只有几个毫米见方,1~2mm厚,使变压器达到了IC水平,是真正的平面变压器｡这类磁性元件的研究在日本和美国已经取得了很大成果,近年来发表了许多关于其性能及各种应用的报道

  日本有人研制了 Fecobo非晶态磁性薄膜电感器｡它是一种通过绝缘膜将串联且相互反绕的长方形螺旋线圈的上下两面与软磁性薄膜叠合的平面多层结构｡在硅基板上采用烧结体靶的直流磁控溅射方法形成 Fecobc磁性薄膜,再通过铝氮化反应,形成 AIN绝缘膜和Fe-CoBC膜相叠合的多层磁性薄膜｡铜线圈采用H2SO4/CuSO4和添加剂,用电镀液通过电解电镀法形成｡下磁性薄膜与上磁性薄膜的绝缘是用硅氮化反应性直流磁控溅射方法形成的一层5pm的SiNx薄膜｡线圈间隙及与上磁性薄膜的绝缘物充填,通过聚酰亚胺旋转涂敷/焙烘的方法完成

  这种电感器的频率在兆赫级上,安装在几瓦级输出功率的变换器上,性能十分良好｡与其配置的电源适配器厚度为2mm,体积为0.5cm3,最大输出功率为3W,输出功率为1.5W时的效率约为80%以上是利用磁控溅射法制作的电感器｡日本还有人研制了用离子束溅射法制作的变压｡