五、高频磁元件
1. 平面磁心及平面变压器技术
平面变压器适用于薄型(low profile)高频开关变换器,其厚度小于1cm,呈扁平状。平面变压器要求磁心、绕组都平面结构,绕组采用铜箔或板形印制电路,省去绕组骨架,有利于散热,漏感LIK小,集肤效应损耗小,用于便携式(por-table)电子设备电源及板上电源。平面变压器的性能与诸多因素有关,如绕组结构与布置、端部设计、铜片厚度、磁心几何尺寸等。现在国际上正用二维有限元法研究RAC和LIK。设计最小的绕组结构,并开发平面变压器的优化设计软件等。
据报道,国外已有多家公司开发了平面变压器。5W-20KW平面变压器的体积及功率密度仅为传统高频变压器的20%,一个手提箱内可放总功率达几十千瓦的十几种平面变压器。效率为97%-99%;工作频率为50kHZ-2MHZ;漏感小于0.2%;EMI很小。
2. 集成磁元件
将多个磁元件(如变压器和电感)集成在一个磁心上,称为集成TL磁元件,可减少变换器体积,降低损耗。
国外已有集成磁元件(Integrated Magnetics,IM)变换器,功率为50W,有5V及15V两路输出的正激IM变换器,频率为100kHZ,变压器和输出滤波电感集成在一个磁心上。例如,应用混合功率封装技术和集成磁技术使航空用0.5MHZ、薄型100W半桥式DC-DC变换器的厚度仅0.21 in,功率密度达150W/in3。南非Hofsajer(PESC,1997)报道了研究集成磁电元件的成果,将5kV·A、?=25kHz串联谐振变换器的LC谐振元件(C=500nF,L=60μH)和变压器(电压比430:80)集成在一个平面磁心上,称为LCT集成元件。
另一种集成磁技术是阵列式磁元件,将电路中磁元件离散化,形成分布式阵列布置,或形成磁结构层,便磁结构与电路板或其他器件紧密配合,实现集成化。
3. 用微加工(micro-fabrication)技术研制兆赫级高频变换器的磁元件
微加工是指Fine Patterning和薄膜制作技术,可减少磁心和绕组中的损耗,使变压器面积小于10mm2,还有可能像VLSI哪样制造集成功率电子电路,将磁元件、功率电路、控制电路集成在硅片上。借用录音磁带的薄膜合金材料,可使高频磁元件的磁密增高。加州大学Berkely分校微加工实验室已研制成10MHz变压器,开发了最优设计软件,变压器单位面积功率为20W/cm2 ,效率可达90%以上。
4. 压电变压器
压电(piezo-electric)变压器简称PET,实际上已不属于磁元件的范围。它是利用压电陶瓷材料的电压-机械振动-电压变换性质传送能量的。在高频功率变换器中应用,可实现轻、小、薄和高功率密度,是20世纪90年代国际功率变换领域的热点之一。研究内容包括压电材料诉损耗评估、PET设计计算方法、仿真、参数分析、有限元分析、振动速度极限,PET的高频性能等。PET在高频变换器中的应用已有报道,如输出24W、12V的2MHz DC-DC变换器(其中PET电压比为5:1);输出2W,1200V的日光灯电源(PET电压比为1:20);冷阴极荧光灯和霓虹灯逆变器等。
六、饱和电感的应用
饱和电感有两种:可控饱和和自饱和(self-saturable)电感,前者习惯称为磁放大器。
20世纪80年代,由于高频磁性材料,如非晶态软磁合金、超微晶勒磁合金等的发展,使有可能在多路输出的高频(>100kHz)开关电源中,用高频可控饱和电感作为其中一路输出(如5V)的电压调节元件,主要输出(如12V)仍用PWM控制,由高频可控饱和和电感组成的电路称为后置调节器(post-regulator)或磁放大(magamp)调节器,但这里并未按放大器原理工作,因此称为“磁调节器”较合适。其优点是电路简单、EMI小、可靠、高效,可较精确地调节输出电压,特别适合应用于输出电流为1A到几十安的开关电源。
自饱和电感即带铁心(无空隙)的线圈,其特点是电感量随通过的电流大小自动变化,电流足够大时,铁心自动进入饱和状态。如果铁心磁特性是理想的(如呈矩形),则自饱和电感类似一个磁“开关”。在开关电源中,应用自饱和电感和变压器二次侧输出整流管串联,可消除二次寄生振荡,减少循环能量,吸收浪涌,抑制尖峰,使整流管损耗减小。
此外,自饱和电感在移相全桥ZVS-PWM开关电源中可作为谐振电感,扩大轻载下满足ZVS条件的范围,并使其占空比损失最小;在变压器一次侧串接电容和自饱和电感,可实现混合ZVZCS-PWM控制。