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直流變換器中微型變壓器的電氣性能及其應(yīng)用
2013/7/31
減小便攜式電子裝置體積的發(fā)展趨勢，正推動(dòng)著電感器、電容器、變壓器這類無源元件在硅基片的集成。過去十年，對(duì)硅基片上磁性薄膜元件的設(shè)計(jì)、制造和特性進(jìn)行過很多研究。已開發(fā)出的微型變壓器和電感器的制造工藝，多數(shù)都采用電沉積技術(shù)。有人已證明了用薄膜磁性元件與其他功率變換用元件集成的可行性。已制成了與肖特基二極管集成的薄膜變壓器。有人把薄膜電感器集成到集成功率開關(guān)和控制電路系統(tǒng)上，制成一種1W直流變換器，但達(dá)到的功率密度，其典型值為1W/級(jí)。其他人達(dá)到了較高的功率密度，他們報(bào)道的微型變壓器的功率密度22.4W/，效率為43%。最近，還有人報(bào)告了他們使用薄膜電感器的微型變換器，其效率高達(dá)83%，輸出功率1.5W。
本文介紹提高功率密度和效率的新設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。要優(yōu)化微型變壓器的設(shè)計(jì)，必須有一種能夠快速評(píng)價(jià)多種變壓器設(shè)計(jì)的模擬技術(shù)。與繁瑣的數(shù)字法相反，采用分析法進(jìn)行模擬。本文介紹制得的E型磁芯微型變壓器的電氣性能及其在直流變換器中的應(yīng)用，把測量結(jié)果同分析模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。
2、 微型變壓器的設(shè)計(jì)與制作
變壓器結(jié)構(gòu)的平面圖示于圖1，這是一種E磁芯型微型變壓器，由兩個(gè)交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)場式電磁隔離線圈夾在磁性材料薄層之間構(gòu)成。有人已證明，采用E型磁芯設(shè)計(jì)，比環(huán)型磁芯功率密度高。采用不同的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)成變壓器系列，工作頻率均為5MHz。每種器件設(shè)計(jì)的詳細(xì)資料列于表1中。
變壓器采用光刻和濺射、電鍍沉積法制作在硅基片上。用電鍍坡莫合金()，形成變壓器磁芯。用介電材料(BCB)，使底部磁芯與導(dǎo)體絕緣。經(jīng)過厚光刻膠圖形電鍍銅，制成厚43μm的繞組。然后把這種光刻膠旋涂在導(dǎo)體上，在導(dǎo)體和頂層磁芯之間形成絕緣層。最后，電鍍頂層坡莫合金，制成使頂層磁芯底部磁芯相連接的圖形，構(gòu)成閉合磁芯。制得的微型變壓器示如圖2。把最終制成的器件切成小塊，用板上片式技術(shù)單個(gè)封裝。
3 、電氣性能
封裝好的變壓器的電氣參數(shù)，用HP4195型阻擾分析儀測定。圖3繪出B、C、D、E四種微型變壓器的開路電感測量值。在所有情況下，到5MHz以前的電感量都保持恒定。磁芯最長(17mm)的變壓器D，電感值(0.9μH)最大。
4 、微型變壓器模擬
為了徹底弄清制成的變壓器特性并能預(yù)測它們的指標(biāo)，必須對(duì)磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。可以用有限元件(ANSOFT麥克斯韋二維法)，精確預(yù)測性能指標(biāo)：采用渦流場計(jì)算器，并認(rèn)為磁性材料是線性的。但要探索其優(yōu)化措施，還是用速度較快的模擬程序更好一些。因此，采用分析法來模擬變壓器。
分析模型建立在確定變壓器等效電路模擬各單元的基礎(chǔ)上，其中忽略寄生電容。與頻率相關(guān)的電阻和漏感，用Dowell提出的方法計(jì)算。雖然只考慮了一維作用，但發(fā)現(xiàn)這種方法用于單層高寬比大的線圈是合理的。增大導(dǎo)體的高寬比，可以提高這種模擬的精確度。計(jì)算磁芯電感和電阻Rc，采用建立在無限長薄膜內(nèi)一維解麥克斯韋方程基礎(chǔ)上的磁芯模型。由此可以得到磁芯電感及其中的渦流損耗與頻率相關(guān)模型。分析中，不包括磁芯中的磁滯損耗。
微型變壓器D開路(Los)和短路(Lsc)電感量隨頻率變化的測量值和用分析模型計(jì)算值之間的比較，圖中同時(shí)繪出了用有限元分析法得到的仿真值。在運(yùn)用分析模型和FEA仿真這兩種情況下，同測量值比較，磁性材料參數(shù)必須為已知值。坡莫合金層的電導(dǎo)率用四點(diǎn)探測法測定，其磁導(dǎo)率根據(jù)用環(huán)形式樣測得的電感量確定。從圖4看出，開路電感測量值與模擬值十分接近。短路測量可給出微型變壓器漏感的概念。但是低頻下，因磁化電感量很小，磁化電阻抗也很小，這種變壓器不能看作為理想變壓器工作。其結(jié)果是，短路測量時(shí)部分磁化電感量(Lm)被反射。從1MHz起，測得的短路電感值(0.4μH)只考慮了漏感(L1);同用有限元仿真預(yù)測的漏感對(duì)比，可以確定這個(gè)漏感值。分析模擬在全頻段范圍內(nèi)同測量完全相符。
變壓器D在開路和短路中測得的和模擬的電阻值隨頻率變化的曲線進(jìn)行對(duì)比。到1MHz以前，其電阻值大約為1Ω。圖中這種低電阻說明，厚銅導(dǎo)體涂層(43μm)是對(duì)的。超過1MHz，結(jié)構(gòu)中損耗使電阻增大。可以精確預(yù)測繞組的損耗。不過，高頻下?lián)p耗中磁芯損耗(渦流損耗和磁滯損耗)占優(yōu)勢。由于這種模型不包括磁滯損耗，這就部分地說明為什么要從20MHz開始，此種分析模擬與測量不相符。還要注意到，在這個(gè)頻率附近器件達(dá)到共振頻率(70MHz)，因此，電容作用可能使電阻再增大。
根據(jù)上述分析可以得出結(jié)論：分析模擬法可令人滿意地表達(dá)變壓器的開路和短路特性，特別是在到5MHz實(shí)用的工作頻率范圍以內(nèi)。
5 、直流變換器中的微型變壓器
把微型變壓器D用在工作在2MHz的全橋式直流變換器中。圖6繪出測量和計(jì)算得輸入電流(Iin)與輸出功率(Pout)同輸入電壓(Vin)的關(guān)系曲線。當(dāng)Vin=4.5V時(shí)得到最大輸出功率0.4W，之后變壓器磁芯飽和。
Vin>2V時(shí)，Iin模擬量與測量值不相符。這是因?yàn)槟M中假設(shè)材料的磁導(dǎo)率是線性的，而實(shí)際上，接近飽和，磁導(dǎo)率會(huì)減小對(duì)磁化電感的作用，因此輸入電流增大。
變換效率，用測得輸出功率與輸入功率之比來確定。Vin>2V時(shí)，測得的效率為40%。模擬預(yù)測，用相同的輸入電壓可使效率達(dá)到50%。其間的差異，可能是因在模擬中不包括磁滯損耗引起的。
根據(jù)這些測量看出，微型變壓器的功率容量和變換效率可以提高。把工作頻率提高到5MHz(最初的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn))，在Vin=12時(shí)，模擬預(yù)測的輸出功率會(huì)達(dá)到2.2W，而在2MHz僅為0.4W。增大磁芯材料厚度，也會(huì)有利于變壓器在較高的電壓下工作。
精確地分析損耗可以看出，由于Lm低，初級(jí)繞組損耗占優(yōu)勢。用高寬比為2：1的導(dǎo)體，可以減小繞組電阻，模擬預(yù)測的效率將提高到75%。另一方面，用較厚的磁芯能解決低磁化電感問題。采用疊層，可以防止渦流在磁芯中產(chǎn)生較大的損耗。未來的工作，將在模型中集中考慮磁滯損耗和電容作用的問題。
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本文介紹提高功率密度和效率的新設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。要優(yōu)化微型變壓器的設(shè)計(jì)，必須有一種能夠快速評(píng)價(jià)多種變壓器設(shè)計(jì)的模擬技術(shù)。與繁瑣的數(shù)字法相反，采用分析法進(jìn)行模擬。本文介紹制得的E型磁芯微型變壓器的電氣性能及其在直流變換器中的應(yīng)用，把測量結(jié)果同分析模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。
2、 微型變壓器的設(shè)計(jì)與制作
變壓器結(jié)構(gòu)的平面圖示于圖1，這是一種E磁芯型微型變壓器，由兩個(gè)交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)場式電磁隔離線圈夾在磁性材料薄層之間構(gòu)成。有人已證明，采用E型磁芯設(shè)計(jì)，比環(huán)型磁芯功率密度高。采用不同的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)成變壓器系列，工作頻率均為5MHz。每種器件設(shè)計(jì)的詳細(xì)資料列于表1中。
變壓器采用光刻和濺射、電鍍沉積法制作在硅基片上。用電鍍坡莫合金()，形成變壓器磁芯。用介電材料(BCB)，使底部磁芯與導(dǎo)體絕緣。經(jīng)過厚光刻膠圖形電鍍銅，制成厚43μm的繞組。然后把這種光刻膠旋涂在導(dǎo)體上，在導(dǎo)體和頂層磁芯之間形成絕緣層。最后，電鍍頂層坡莫合金，制成使頂層磁芯底部磁芯相連接的圖形，構(gòu)成閉合磁芯。制得的微型變壓器示如圖2。把最終制成的器件切成小塊，用板上片式技術(shù)單個(gè)封裝。
3 、電氣性能
封裝好的變壓器的電氣參數(shù)，用HP4195型阻擾分析儀測定。圖3繪出B、C、D、E四種微型變壓器的開路電感測量值。在所有情況下，到5MHz以前的電感量都保持恒定。磁芯最長(17mm)的變壓器D，電感值(0.9μH)最大。
4 、微型變壓器模擬
為了徹底弄清制成的變壓器特性并能預(yù)測它們的指標(biāo)，必須對(duì)磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。可以用有限元件(ANSOFT麥克斯韋二維法)，精確預(yù)測性能指標(biāo)：采用渦流場計(jì)算器，并認(rèn)為磁性材料是線性的。但要探索其優(yōu)化措施，還是用速度較快的模擬程序更好一些。因此，采用分析法來模擬變壓器。
分析模型建立在確定變壓器等效電路模擬各單元的基礎(chǔ)上，其中忽略寄生電容。與頻率相關(guān)的電阻和漏感，用Dowell提出的方法計(jì)算。雖然只考慮了一維作用，但發(fā)現(xiàn)這種方法用于單層高寬比大的線圈是合理的。增大導(dǎo)體的高寬比，可以提高這種模擬的精確度。計(jì)算磁芯電感和電阻Rc，采用建立在無限長薄膜內(nèi)一維解麥克斯韋方程基礎(chǔ)上的磁芯模型。由此可以得到磁芯電感及其中的渦流損耗與頻率相關(guān)模型。分析中，不包括磁芯中的磁滯損耗。
微型變壓器D開路(Los)和短路(Lsc)電感量隨頻率變化的測量值和用分析模型計(jì)算值之間的比較，圖中同時(shí)繪出了用有限元分析法得到的仿真值。在運(yùn)用分析模型和FEA仿真這兩種情況下，同測量值比較，磁性材料參數(shù)必須為已知值。坡莫合金層的電導(dǎo)率用四點(diǎn)探測法測定，其磁導(dǎo)率根據(jù)用環(huán)形式樣測得的電感量確定。從圖4看出，開路電感測量值與模擬值十分接近。短路測量可給出微型變壓器漏感的概念。但是低頻下，因磁化電感量很小，磁化電阻抗也很小，這種變壓器不能看作為理想變壓器工作。其結(jié)果是，短路測量時(shí)部分磁化電感量(Lm)被反射。從1MHz起，測得的短路電感值(0.4μH)只考慮了漏感(L1);同用有限元仿真預(yù)測的漏感對(duì)比，可以確定這個(gè)漏感值。分析模擬在全頻段范圍內(nèi)同測量完全相符。
變壓器D在開路和短路中測得的和模擬的電阻值隨頻率變化的曲線進(jìn)行對(duì)比。到1MHz以前，其電阻值大約為1Ω。圖中這種低電阻說明，厚銅導(dǎo)體涂層(43μm)是對(duì)的。超過1MHz，結(jié)構(gòu)中損耗使電阻增大。可以精確預(yù)測繞組的損耗。不過，高頻下?lián)p耗中磁芯損耗(渦流損耗和磁滯損耗)占優(yōu)勢。由于這種模型不包括磁滯損耗，這就部分地說明為什么要從20MHz開始，此種分析模擬與測量不相符。還要注意到，在這個(gè)頻率附近器件達(dá)到共振頻率(70MHz)，因此，電容作用可能使電阻再增大。
根據(jù)上述分析可以得出結(jié)論：分析模擬法可令人滿意地表達(dá)變壓器的開路和短路特性，特別是在到5MHz實(shí)用的工作頻率范圍以內(nèi)。
5 、直流變換器中的微型變壓器
把微型變壓器D用在工作在2MHz的全橋式直流變換器中。圖6繪出測量和計(jì)算得輸入電流(Iin)與輸出功率(Pout)同輸入電壓(Vin)的關(guān)系曲線。當(dāng)Vin=4.5V時(shí)得到最大輸出功率0.4W，之后變壓器磁芯飽和。
Vin>2V時(shí)，Iin模擬量與測量值不相符。這是因?yàn)槟M中假設(shè)材料的磁導(dǎo)率是線性的，而實(shí)際上，接近飽和，磁導(dǎo)率會(huì)減小對(duì)磁化電感的作用，因此輸入電流增大。
變換效率，用測得輸出功率與輸入功率之比來確定。Vin>2V時(shí)，測得的效率為40%。模擬預(yù)測，用相同的輸入電壓可使效率達(dá)到50%。其間的差異，可能是因在模擬中不包括磁滯損耗引起的。
根據(jù)這些測量看出，微型變壓器的功率容量和變換效率可以提高。把工作頻率提高到5MHz(最初的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn))，在Vin=12時(shí)，模擬預(yù)測的輸出功率會(huì)達(dá)到2.2W，而在2MHz僅為0.4W。增大磁芯材料厚度，也會(huì)有利于變壓器在較高的電壓下工作。
精確地分析損耗可以看出，由于Lm低，初級(jí)繞組損耗占優(yōu)勢。用高寬比為2：1的導(dǎo)體，可以減小繞組電阻，模擬預(yù)測的效率將提高到75%。另一方面，用較厚的磁芯能解決低磁化電感問題。采用疊層，可以防止渦流在磁芯中產(chǎn)生較大的損耗。未來的工作，將在模型中集中考慮磁滯損耗和電容作用的問題。
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