功率变换器驱动电路的无磁心变压器
2004-07-02 14:02:41
来源：国际电子变压器2004年7月刊
功率变换器驱动电路的无磁心变压器
The coreless transformer of power converter driving circuits
1引言
功率变换器已在很多重要领域中得到广泛应用，在其驱动电路中一般都需要电气隔离。在众多的信号传递隔离技术中，变压器通常是使用得最普遍的元件。传统的变压器多采用手工绕制线圈及磁心构成，它有着体积大、劳动量大，生产成本高等缺点。特别是在要求扁平结构的功率变换设备中，它已很难满足要求。近些年来，很多研究工作已集中在印制板上直接制成绕组，采用特殊结构的磁心，或者运用光刻、电镀等特种工艺在心片上制成磁心，做成平面型变压器或微型变压器。其应用对电子产品实现轻薄小起着关键作用。
长期以来，一直都认为变压器是由铜线绕组加上磁心构成。90年代以后，开关电源的工作频率增加到几百仟赫甚至更高。随着工作频率的提高，磁心的体积大大减小。然而，似乎磁心是必不可少的部件。能否使磁心的体积趋于“零”呢？也就是说，制成无磁心的变压器呢？如果可能的话，那么这种变压器就不受磁心有关的因素诸如磁饱和、磁损耗、温度等的影响，从而降低生产成本，保证生产加工一致性、提高可靠性。本文根据对无磁心印制板变压器研究的最新进展，从其简单结构出发，借助其高频电路模型进行分析，从而对其耦合系数、电压增益，电磁干扰等方面有个清晰认识。并给出了基本特性及其在驱动功率电子开关中的应用，得出优化应用的基本条件。
2基本结构
无磁心印制板变压器结构非常简单，它的绕组一般是在印制板单面或双面上，有的也可在薄膜材料上制成。图1表示了一个无磁心的印制板变压器（右侧）和通常的有磁心的绕组式脉冲变压器的实物照片。图2是一个实际无磁心印制板变压器的原型，其铜线的宽度和厚度分别为0.22mm和0.25mm，相邻的铜线的距离为0.28mm，初级和次级的绕组匝数为10匝。
图3-1~5表示了五种不同的无磁心印制板变压器T1~T5，它们采用的印制板原度为1.54mm。（当然也可用薄膜材料制成）。图中T1~T5的初级匝数是10匝，次级匝数是12匝，次级多出2匝的原因是为了补偿电压降。第五种变压器T5初级是10匝，次级是18匝。
对这几种无磁心印制板变压器都进行了试验，全都能驱动功率器件。研究重点在后三种尺寸较小的变压器。
3建模与分析
3-1等效电路
无磁心印制板变压器是设计用于高频场合，因此必须考虑绕组两端和绕组之间的漏感和分布电容。由于没有使用磁心，因而磁心的损耗就不必考虑。其等效电路可用图4表示。
其中：
R1初级绕组的电阻，R′2折算到初级的次级绕组电阻，Lek1初级漏感，Lek2折算到初级的次级绕组漏感，C1初级绕组间电容，C′2折算到初级的次级绕组间的电容，C12初级和次级绕组间的电容，n匝比。
该变压器的传递函数是在有负载的条件下得列的，因此将电源与负载分别接到该变压器的初级绕组和次级绕组两端，如图5所示。
3.2传递函数
对图3列出节点1和节点2的电流方程式分别为：
节点1： 
（1）
节点2：
（2）
从（2）得出：
（3）
由（1）和（3）得到传递函数：
3.3样品参数
电阻和电感
由于无磁心印制板变压器在高频率范围（从几百千赫至几兆赫）内使用，因此用阻抗分析仪在1兆赫左右测量样品的电阻和电感。在1兆赫时测量的参数列在表1中：
对所测出的变压器的电阻值比较可以看出它们的阻值是不同的，这也可能是因为在印制板生产过程中，绕组线的厚度难以严格控制的缘故，另方面也可看出互感一般随绕组面积增大而增加。
交流电阻
由于趋肤效应使绕组的交流电阻随工作频率提高而增大。交流电阻由下式给出：
（5）
式中R0导体的直流电阻
f工作频率
fa和fb导体的临界频率
T3~T5三种小尺寸的变压器绕组电阻用阻抗分析仪从10千兆赫至10兆赫进行测量。测出的直流电阻和临界频率列于表二。通过对绕组交流电阻的计算和测量值比较，得到的结果很一致。如图6所示。
样品的电容值
在1兆赫时测量的样品电容数值在表三给出。
4频率响应
已对T0、T1~T5样品进行过频率特性测试，测试结果与计算值很接近。现对T0的测试数据和计算比较来说明无磁心印制板变压器几个重要特性。
根据图5电路，假定负载电容为680pf及模拟负载电阻为2kΩ，进行频率特性测试。
电压增益定义为输出电压与输入电压之比即：
（6）
图7（a）表示了T0的电压增益与工作频率的计算值和测量值，图7（b）表明了T0的电压相移与工作频率的计算值和测量值。其输入阻抗与频率关系如图8所示。
从以上频率特性我们可以看出，要使无磁心印制板变压器在最佳方式下运用必须考虑以下几个重要方面：
1、在较低的工作频率（小于20千赫）下工作，电压增益很低，随着频率的提高，电压增益也增加，而在谐振频率处达到最大值。
2、在适当的频率范围，电压增益能够大于1，而一般都认为无磁心变压器的电压增益很低。
3、高于谐振频率时，偏离谐振频率愈远，变压器的电压增益愈低甚至降至零。
4、无磁心印制板变压器工作在低于谐振频率而邻近该频率时，增益高、相移小。应用时可充分利用这段频率范围。
5电磁干扰（EMI)
通常认为无磁心变压器的电磁干扰严重，然而实际情况怎样呢？我们作以下分析：对于一个环形天线而言，其辐射主要是垂直于x-y平面，即，其本身在自由空间的固有阻抗值Z为120π或377Ω。如果工作频率（或载波频率）fc是8兆赫，那么辐射信号的波长λ为：
（7）
环路天线的平均辐射功率为：
（8）
从上式看到，环形天线的辐射功率取决于（1）电流I0(或工作的功率）（2）天线的半径a（3）工作频率fc。辐射的功率随频率和结构的尺寸增加而迅速增加。根据天线理论可知，一个好的环形辐射体其半径与它辐射信号的波长的数量级应接近。针对变压器T0而言，其最大的外环半径为0.005m，它的波长为37.5m的0.13×10-3，而（a/λ）4接近10-16的数量级。当电流I0=1A时，对于半径为5mm的单线圈天线辐射的功率P=4.86×10-11瓦，因此，这种单线圈天线辐射的功率是可以忽略的。纵然无磁心印制板变压器有10匝，其总的辐射功率及辐射干扰仍然很小而不必考虑。由上述计算表明，就空间辐射角度而言，TO是一个很差的发射天线。根据互易定理：对于一定波长的信号，一个差的发射器同样也是一个差的接收器。 T0在8兆赫激励时，其磁通量其本上集中在变压器的内部及其附近。曾用精密EMC（电磁兼容）扫描仪对无磁心印制板变压器驱动功率器件的电路进行过磁场扫描，结果表明，绝大部分EMI来源于功率电路导通途径。即使初级驱动电路单元和次级驱动电路单元的EMI都比无磁心印制板变压器的高，无磁心印制板变压器产生的EMI占整个EMI中仅是很小一部分。此外，无磁心印制板变压器不像功率部件和控制极驱动电子元件电路那样会引起瞬间电压和电流尖峰。它具有一定的滤波作用。尽管它靠近功率电路，但功率电路的EMI并不影响无磁心变压器的正常工作。
6应用实例
实验装置如图9所示。曾对上述介绍的几种无磁心印制板变压器都进行过成功的试验，这里仅介绍利用T5的试验结果。实验是在两只MOSFET（APT5040——控制极电容为1340pf，IRF540——控制极电容为2700pf）和一只IGBT（IRGPH40KD2）上进行的。工作频率为500KHz——2MHz范围内，占孔比为0.08~0.87。已成功地用于功率开关器件控制极的驱动。实测的有关示波图如图10~图13所示。
7结束语
本文对无磁心印制板变压器作了基本分析，描述了它的若干特性。介绍了它的初步应用。尽管介绍的是它在功率开关器件驱动电路中的应用，然而在其它方面也得到成功的应用。例如在隔离放大器中，共带宽可达1MHz。目前已有用它传输功率从0.5W-94W，效率可达95%的技术报导。在一些工业应用中它将取代传统的磁心变压器。其潜在应用也将进一步深入研究并受到更多的关注。
参考资料（略）
无磁心印制板变压器结构非常简单，它的绕组一般是在印制板单面或双面上，有的也可在薄膜材料上制成。图1表示了一个无磁心的印制板变压器（右侧）和通常的有磁心的绕组式脉冲变压器的实物照片。图2是一个实际无磁心印制板变压器的原型，其铜线的宽度和厚度分别为0.22mm和0.25mm，相邻的铜线的距离为0.28mm，初级和次级的绕组匝数为10匝。
图3-1~5表示了五种不同的无磁心印制板变压器T1~T5，它们采用的印制板原度为1.54mm。（当然也可用薄膜材料制成）。图中T1~T5的初级匝数是10匝，次级匝数是12匝，次级多出2匝的原因是为了补偿电压降。第五种变压器T5初级是10匝，次级是18匝。
对这几种无磁心印制板变压器都进行了试验，全都能驱动功率器件。研究重点在后三种尺寸较小的变压器。
3建模与分析
3-1等效电路
无磁心印制板变压器是设计用于高频场合，因此必须考虑绕组两端和绕组之间的漏感和分布电容。由于没有使用磁心，因而磁心的损耗就不必考虑。其等效电路可用图4表示。
其中：
R1初级绕组的电阻，R′2折算到初级的次级绕组电阻，Lek1初级漏感，Lek2折算到初级的次级绕组漏感，C1初级绕组间电容，C′2折算到初级的次级绕组间的电容，C12初级和次级绕组间的电容，n匝比。
该变压器的传递函数是在有负载的条件下得列的，因此将电源与负载分别接到该变压器的初级绕组和次级绕组两端，如图5所示。
3.2传递函数
对图3列出节点1和节点2的电流方程式分别为：
节点1： （1）
节点2：（2）
从（2）得出：
（3）
由（1）和（3）得到传递函数：
3.3样品参数
电阻和电感
由于无磁心印制板变压器在高频率范围（从几百千赫至几兆赫）内使用，因此用阻抗分析仪在1兆赫左右测量样品的电阻和电感。在1兆赫时测量的参数列在表1中：
对所测出的变压器的电阻值比较可以看出它们的阻值是不同的，这也可能是因为在印制板生产过程中，绕组线的厚度难以严格控制的缘故，另方面也可看出互感一般随绕组面积增大而增加。
交流电阻
由于趋肤效应使绕组的交流电阻随工作频率提高而增大。交流电阻由下式给出：（5）
式中R0导体的直流电阻
f工作频率
fa和fb导体的临界频率
T3~T5三种小尺寸的变压器绕组电阻用阻抗分析仪从10千兆赫至10兆赫进行测量。测出的直流电阻和临界频率列于表二。通过对绕组交流电阻的计算和测量值比较，得到的结果很一致。如图6所示。
样品的电容值
在1兆赫时测量的样品电容数值在表三给出。
4频率响应
已对T0、T1~T5样品进行过频率特性测试，测试结果与计算值很接近。现对T0的测试数据和计算比较来说明无磁心印制板变压器几个重要特性。
根据图5电路，假定负载电容为680pf及模拟负载电阻为2kΩ，进行频率特性测试。
电压增益定义为输出电压与输入电压之比即：（6）
图7（a）表示了T0的电压增益与工作频率的计算值和测量值，图7（b）表明了T0的电压相移与工作频率的计算值和测量值。其输入阻抗与频率关系如图8所示。
从以上频率特性我们可以看出，要使无磁心印制板变压器在最佳方式下运用必须考虑以下几个重要方面：
1、在较低的工作频率（小于20千赫）下工作，电压增益很低，随着频率的提高，电压增益也增加，而在谐振频率处达到最大值。
2、在适当的频率范围，电压增益能够大于1，而一般都认为无磁心变压器的电压增益很低。
3、高于谐振频率时，偏离谐振频率愈远，变压器的电压增益愈低甚至降至零。
4、无磁心印制板变压器工作在低于谐振频率而邻近该频率时，增益高、相移小。应用时可充分利用这段频率范围。
5电磁干扰（EMI)
通常认为无磁心变压器的电磁干扰严重，然而实际情况怎样呢？我们作以下分析：对于一个环形天线而言，其辐射主要是垂直于x-y平面，即，其本身在自由空间的固有阻抗值Z为120π或377Ω。如果工作频率（或载波频率）fc是8兆赫，那么辐射信号的波长λ为：
（7）
环路天线的平均辐射功率为：
（8）
从上式看到，环形天线的辐射功率取决于（1）电流I0(或工作的功率）（2）天线的半径a（3）工作频率fc。辐射的功率随频率和结构的尺寸增加而迅速增加。根据天线理论可知，一个好的环形辐射体其半径与它辐射信号的波长的数量级应接近。针对变压器T0而言，其最大的外环半径为0.005m，它的波长为37.5m的0.13×10-3，而（a/λ）4接近10-16的数量级。当电流I0=1A时，对于半径为5mm的单线圈天线辐射的功率P=4.86×10-11瓦，因此，这种单线圈天线辐射的功率是可以忽略的。纵然无磁心印制板变压器有10匝，其总的辐射功率及辐射干扰仍然很小而不必考虑。由上述计算表明，就空间辐射角度而言，TO是一个很差的发射天线。根据互易定理：对于一定波长的信号，一个差的发射器同样也是一个差的接收器。 T0在8兆赫激励时，其磁通量其本上集中在变压器的内部及其附近。曾用精密EMC（电磁兼容）扫描仪对无磁心印制板变压器驱动功率器件的电路进行过磁场扫描，结果表明，绝大部分EMI来源于功率电路导通途径。即使初级驱动电路单元和次级驱动电路单元的EMI都比无磁心印制板变压器的高，无磁心印制板变压器产生的EMI占整个EMI中仅是很小一部分。此外，无磁心印制板变压器不像功率部件和控制极驱动电子元件电路那样会引起瞬间电压和电流尖峰。它具有一定的滤波作用。尽管它靠近功率电路，但功率电路的EMI并不影响无磁心变压器的正常工作。
6应用实例
实验装置如图9所示。曾对上述介绍的几种无磁心印制板变压器都进行过成功的试验，这里仅介绍利用T5的试验结果。实验是在两只MOSFET（APT5040——控制极电容为1340pf，IRF540——控制极电容为2700pf）和一只IGBT（IRGPH40KD2）上进行的。工作频率为500KHz——2MHz范围内，占孔比为0.08~0.87。已成功地用于功率开关器件控制极的驱动。实测的有关示波图如图10~图13所示。
7结束语
本文对无磁心印制板变压器作了基本分析，描述了它的若干特性。介绍了它的初步应用。尽管介绍的是它在功率开关器件驱动电路中的应用，然而在其它方面也得到成功的应用。例如在隔离放大器中，共带宽可达1MHz。目前已有用它传输功率从0.5W-94W，效率可达95%的技术报导。在一些工业应用中它将取代传统的磁心变压器。其潜在应用也将进一步深入研究并受到更多的关注。
参考资料（略）
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