高频磁性器件的研究与发展
2003-08-18 17:23:23
来源：上海台达电力电子研发中心 胡跃全 陈为
高频磁性器件的研究与发展
摘 要：本文介绍了用于开关电源的磁性器件的最新研究、发展与应用，并重点介绍了磁性器件的集成了阵列化技术，旨在使设计者能根据具体应用选择合适的磁件设计方案。
关键词：高频 磁性器件 集成
Key words:High frequency Magnetic components Integration
1 介绍
随着新型功率器件的不断出现和应用要求的提高，开关电源的设计者都面临着严峻的挑战。尽管提高开关频率使得电源的体积缩小，功率密度提高，但其中的关键器件变压器和电感器还是占了整个电源中体积和重量的较大一部分。此外，现今电源用户还对电源的整体高度提出了苛刻的要求，因而就要求设计者必须突破传统的磁件设计方法，以满足客户的需求。本文将就功率磁性器件的研究发展状况作一介绍，以便使得广大的电源设计者对磁性器件的最新设计技术有所了解，并根据具体应用选择合适的设计方案。
2 功率磁性组件的特点
2.1高频高功率密度
由于开关电源中的功率器件工作在开关状态（频率一般都在几十kHz以上，甚至达到MHz以上），加上新型高频功率器件的不断涌现，这就为开关电源的进一步高频化和功率磁性器件体积的进一步缩小提供了有利的条件，目前市场上已有功率密度超过 100W/in3 的模块电源出现。但频率的提高又会导致开关和磁性器件损耗的增大，开关损耗可以通过零电流关断（ZCS）和零电压开通（ZVS）来解决，而磁性器件的损耗除了应用高频损耗小的磁性材料（如TDK的PC40、PC50，Magnetics 的Koolμ、MPP等）外，也可以通过合理的设计包括绕组布置及磁件的集成（Magnetics Integration）等来减少损耗。
2.2平面化
应用于通讯行业和电脑CPU等场合的电源往往有高度限制，因而迫使电源日趋平面化，磁性器件的设计也面临同样的挑战，新型磁性器件便应运而生。与传统的磁性器件不同，新型高频磁件的磁心呈扁平状，绕组也不是用实心圆导线绕制，而是用薄膜或厚膜工艺（用于低功率场合）以及PCB工艺或铜箔（用于功率较大的场合）来制作，这样就可省去传统磁件必须使用的线圈骨架，此外还可以实现自动化生产，大大提高生产效率，并且产品性能的一致性得到了很好的保证。由于平面磁件的高度小、散热面积大，因而其散热性能有明显的改善。图1为Payton 公司推出的平面变压器产品。特别是在低电压应用中，平面磁件的绕组制作更为方便，可以直接将其布置在多层PCB线路板上，只要将两半磁心一扣固定即可，图2所示的就是用于DC/DC模块中绕组与变换器线路布置在同一PCB板上的高频平面变压器。
为了满足平面化、自动化生产以及贴面封装（Surface mount）的需求，Philips 公司还推出了系列集成式感性组件（IIC-integrated inductive components）。这种集成式感性组件可用作低电压场合的变压器、滤波器等。从图3（a）可看出，其封装外形同普通的集成芯片完全一样。通过调整在PCB板上的布线，便可实现不同的匝数和功能，如图（b）所示。图4为一具体应用电路，其中IC1、IC2和IC3用的就是集成式感性组件。
2.3集成小型化
这里所讲的集成是指将多个变压器和（或者）电感器设计制作在同一个磁心上，这样做的好处是可以简化生产工艺过程，减少体积和产品成本。另外值得一提的是，一个好的磁件集成方案还可以降低功率损耗，提高整机的功率变换效率。图5所示的是一正激式DC/DC变换器电路〔5〕，它采用了典型的变压器和电感器集成方案，只用了一个磁心，其中绕组
和
组成变压器，
为滤波电感器绕组，
为变压器复位绕组。不过其输出电压
不仅与输入电压
、占空比D以及原副边匝数有关外，还和电感器的匝数有关，如式（1)所示。只有当副边和电感器的匝数相等，即
=时，其输出电压和输入电压之间的关系才会同传统正激变换器一样，遵循如式(2)所示的关系，图6为Clayton L. Sturgeon 等发明的变换器中另两种磁集成方案〔1〕〔3〕。
图7为丹麦Ole S.Seiersen发明的倍流（Current Doubler）电路中的磁集成方式（专利号：US5335163，1994年）〔2〕，该方案将一个变压器和两个电感集成在同一个磁心上。中间的两个绕组组成变压器，而两只边腿上的绕组各形成一个电感。图7（b）为其电气模型。倍流电路当中的两个电感也可以集成在同一个磁心上〔4〕，如图8所示。两个电感虽然在同一个磁心上，但彼此不耦合，相互独立工作。从图中可看出集成后磁心中腿中的交变磁通是两电感的交变磁通
、
相互抵消的结果，（因、变化不同相），因而中腿的合交变磁通会变小，磁心的损耗也会减小甚至为零，这是磁集成后的一大好处。
图9为差模和共模电感的集成方案〔6〕，由美国Anand K. Upadhyay 发明（专利号：US05313176，1994年），该发明巧妙地利用EI磁心将通常的分立差模和共模电感集成在同一个磁心上，而且制作工艺简单。调节EI磁心间的气隙便可得到所要求的差模和共模电感值。
摘 要：本文介绍了用于开关电源的磁性器件的最新研究、发展与应用，并重点介绍了磁性器件的集成了阵列化技术，旨在使设计者能根据具体应用选择合适的磁件设计方案。
关键词：高频 磁性器件 集成
Key words:High frequency Magnetic components Integration
1 介绍
随着新型功率器件的不断出现和应用要求的提高，开关电源的设计者都面临着严峻的挑战。尽管提高开关频率使得电源的体积缩小，功率密度提高，但其中的关键器件变压器和电感器还是占了整个电源中体积和重量的较大一部分。此外，现今电源用户还对电源的整体高度提出了苛刻的要求，因而就要求设计者必须突破传统的磁件设计方法，以满足客户的需求。本文将就功率磁性器件的研究发展状况作一介绍，以便使得广大的电源设计者对磁性器件的最新设计技术有所了解，并根据具体应用选择合适的设计方案。
2 功率磁性组件的特点
2.1高频高功率密度
由于开关电源中的功率器件工作在开关状态（频率一般都在几十kHz以上，甚至达到MHz以上），加上新型高频功率器件的不断涌现，这就为开关电源的进一步高频化和功率磁性器件体积的进一步缩小提供了有利的条件，目前市场上已有功率密度超过 100W/in3 的模块电源出现。但频率的提高又会导致开关和磁性器件损耗的增大，开关损耗可以通过零电流关断（ZCS）和零电压开通（ZVS）来解决，而磁性器件的损耗除了应用高频损耗小的磁性材料（如TDK的PC40、PC50，Magnetics 的Koolμ、MPP等）外，也可以通过合理的设计包括绕组布置及磁件的集成（Magnetics Integration）等来减少损耗。
2.2平面化
应用于通讯行业和电脑CPU等场合的电源往往有高度限制，因而迫使电源日趋平面化，磁性器件的设计也面临同样的挑战，新型磁性器件便应运而生。与传统的磁性器件不同，新型高频磁件的磁心呈扁平状，绕组也不是用实心圆导线绕制，而是用薄膜或厚膜工艺（用于低功率场合）以及PCB工艺或铜箔（用于功率较大的场合）来制作，这样就可省去传统磁件必须使用的线圈骨架，此外还可以实现自动化生产，大大提高生产效率，并且产品性能的一致性得到了很好的保证。由于平面磁件的高度小、散热面积大，因而其散热性能有明显的改善。图1为Payton 公司推出的平面变压器产品。特别是在低电压应用中，平面磁件的绕组制作更为方便，可以直接将其布置在多层PCB线路板上，只要将两半磁心一扣固定即可，图2所示的就是用于DC/DC模块中绕组与变换器线路布置在同一PCB板上的高频平面变压器。
为了满足平面化、自动化生产以及贴面封装（Surface mount）的需求，Philips 公司还推出了系列集成式感性组件（IIC-integrated inductive components）。这种集成式感性组件可用作低电压场合的变压器、滤波器等。从图3（a）可看出，其封装外形同普通的集成芯片完全一样。通过调整在PCB板上的布线，便可实现不同的匝数和功能，如图（b）所示。图4为一具体应用电路，其中IC1、IC2和IC3用的就是集成式感性组件。
2.3集成小型化
这里所讲的集成是指将多个变压器和（或者）电感器设计制作在同一个磁心上，这样做的好处是可以简化生产工艺过程，减少体积和产品成本。另外值得一提的是，一个好的磁件集成方案还可以降低功率损耗，提高整机的功率变换效率。图5所示的是一正激式DC/DC变换器电路〔5〕，它采用了典型的变压器和电感器集成方案，只用了一个磁心，其中绕组
和组成变压器，为滤波电感器绕组，为变压器复位绕组。不过其输出电压不仅与输入电压、占空比D以及原副边匝数有关外，还和电感器的匝数有关，如式（1)所示。只有当副边和电感器的匝数相等，即=时，其输出电压和输入电压之间的关系才会同传统正激变换器一样，遵循如式(2)所示的关系，图6为Clayton L. Sturgeon 等发明的变换器中另两种磁集成方案〔1〕〔3〕。图7为丹麦Ole S.Seiersen发明的倍流（Current Doubler）电路中的磁集成方式（专利号：US5335163，1994年）〔2〕，该方案将一个变压器和两个电感集成在同一个磁心上。中间的两个绕组组成变压器，而两只边腿上的绕组各形成一个电感。图7（b）为其电气模型。倍流电路当中的两个电感也可以集成在同一个磁心上〔4〕，如图8所示。两个电感虽然在同一个磁心上，但彼此不耦合，相互独立工作。从图中可看出集成后磁心中腿中的交变磁通是两电感的交变磁通
、相互抵消的结果，（因、变化不同相），因而中腿的合交变磁通会变小，磁心的损耗也会减小甚至为零，这是磁集成后的一大好处。图9为差模和共模电感的集成方案〔6〕，由美国Anand K. Upadhyay 发明（专利号：US05313176，1994年），该发明巧妙地利用EI磁心将通常的分立差模和共模电感集成在同一个磁心上，而且制作工艺简单。调节EI磁心间的气隙便可得到所要求的差模和共模电感值。
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