高频低造型电源变压器的设计与应用

了解决连线以及焊接问题，A.J.Yerman等人发明了“z”字折叠式绕组，先用柔性PCB腐蚀制成一定形状的铜片，见图2，然后再折叠成绕组。图中的绕组是以“z”字折叠4个半匝的柔性PCB而成，总匝数为2。它实际上是由位于顶层以实线表示的导体7和底层以虚线表示的导体8折叠而成，而绕组的一匝实质上是由顶层的半匝和底层的半匝形成。端5和端6是引线端，虚线1、2和3为折叠线，9为绝缘材料，4为留给磁心心柱的通孔。这种方法的好处是避免了焊接，提高了整个元件的可靠性，但由于需要两层铜箔才形成整一匝，当匝数要求较多，而磁心高度又有要求时，绕组的高度便满足不了要求。

　　(2)

式中：Rac——绕组的交流电阻；

　　M=△(sinh2△＋sin2△)/(cosh2△－cos2△)

　　D=2△(sinh△－sin△)/(cosh△＋cos△)　　△=tw/δ;δ（趋肤深度）=

　　f——开关频率；

　　μo——真空磁导率，μo=4π×10－7。

　　滤波电感器也采用相同的磁心，只是留了约1mm的气隙以防止磁心饱和及减小由于直流偏置所引起的损耗。电感器的绕组由两个具有相同匝数的绕组并联而成，以减少铜损。所制作的变压器和电感器整个磁心高度仅为8mm。

　　变压器的输入和输出功率测量方法是这样的：先将实测到的绕组两端的电压和流过的电流瞬时值相乘，然后再算得乘积在一个或多个周期内的平均值，即为变压器的输入或输出功率。这个过程通过TektronixA6302数字示波器来完成。为了避免高频对测量的影响，绕组两端分别接示波器的两个输入通道，之间的电压差即为绕组两端的电压。示波器的第三个通道则输入通过电流探头（TektronixA6302）测得的电流波形。

　　表1低造型电源变压器和电感器的参数

　　图8所示的为该变压器效率与输入功率之间的关系。可以看出，该变压器具有很高的转换效率。当变换器的输出功率为50W时，即使是在自然通风冷却情况下，该变压器也没有明显温升（50℃），这主要取决于它小的功耗和良好的散热性能。整个变换器效率与输出功率的关系见图9。由于采用了同步整流技术，该变换器具有较高的变换频率，在输出功率

为50W时的效率接近90％。

概括起来，“5/6匝”低造型变压器绕组折叠制作法具有下列优点：

（1）避免了相邻导体之间的焊接；

图7有源箝位同步整流正激式DC/DC变换器

图8变压器效率和输入功率关系

图9变换器效率与输出功率关系

（2）可以在最大程度上利用磁心窗口高度，提高窗口填充系数；

（3）使得加工过程中的铜材料损耗为最少；

（4）制作方法简单、快捷，而且干净、不污染环境；

（5）使设计者可以根据具体应用，选用不同厚度的铜片材料；

（6）特别适合应用于高频高功率密度的开关电源模块中。

3高频低造型电源变压器的优化设计

3.1高频变压器损耗模型

（1）磁心损耗模型

　　变压器的铁损主要由磁滞和涡流效应导致，磁滞损耗一般认为是由磁材料的磁畴运动及磨擦而导致的。磁滞损耗与频率成正比，而涡流损耗与频率的平方成正比。此处将采用最为常用的磁损耗功率密度（单位体积）计算公式：

Pc=kBmfn(3)

式中k为损耗系数，B为磁通密度峰－峰值，f为磁场交变频率，k、m、n与磁材料的特性有关，可从磁材料供应商给出的损耗曲线得出。在高频时由于涡流效应的影响，因而磁心中磁力线呈不均匀分布，但当采用具有高电阻率的铁氧体软磁材料作为磁心材料时，涡流很小，对磁力线分布的影响可忽略，因而可认为磁心横截面上的磁力线分布是均匀的。对于图10所示的E－E型磁心，其损耗为：

　　Pc=kfnΦm(2W2L)1－m(2Hw＋W)(4)

（2）绕组损耗模型

　　P.L.Dowell虽然在对电磁场作了一维的近似下建立了简捷的变压器铜损和漏感的计算模型，但该模型使用起来很方便。可将之用于预测高频变压器的铜损和漏感，实现高频变压器的优化设计。

在高频应用时，为了减少铜损和提高电流容量，绕组导体通常采用扁平状铜片，而且每层只有一圈导体，如图10和图12所示，这样可使电流沿导体的宽度方向分布，减少由于趋肤效应所导致的损耗，另外也有利于减少变压器的整体高度。如果忽略各层导体连接点的影响，对于匝数为N的绕组，其直流电阻为：

Rdc=2Nρ(L＋Wc＋2Ww)/(Ww－2dw)tw(5)

式中tw、dw分别是导体厚度和绕组与磁心之间的间隙，