对高频回扫变换器中的高功率铜箔型无铁芯变压器的评估
Evaluation of High Power Foil-Type Air-Core Transformer by High-Frequency lyback Converter

提 要 为了简化变压器线圈的绕制加工，本文提出了一种新型铜箔绕组的无铁芯变压器方案，对500KHz回扫变换器用的30W量级试样变压器进行了评估，并与常用的绞合线绕组变压器作了比较，该样品达到的效率为80%，比绞合线型低1%。为了提高其效率，文中还探讨了能量恢复电路。

一、引 言
为了解决高频开关变换器中的铁芯损耗问题，人们寄希望于无铁芯变压器[1][2]，从总体来说，常用的绞合线绕组具有较好的性能，但其绕制加工过程复杂，使成本较高。本研究是对500kHz回扫变换器用的新型铜箔绕组的无铁芯变压器方案进行评估。

二、无铁芯变压器试样的技术条件
图1为30W量级无铁芯变压器的外形照片，右图为常用的绞合线绕组型，左图为新型的铜箔绕组型。表1列出了这些绕组所用的材料及其截面图。


图1 无铁芯变压器样品
铜箔绕组是由每层铜箔添加一层薄的绝缘膜绕制而成，其绕制加工过程比用绞合线绕制简单，且绞合线的二个末端还需并联。由于趋肤效应，绞合线绕组的耦合系数要大一些[1]，聚酯膜的厚度为18.5μm，估计绞合后的线导体之间的间距为35μm。一般说，由于铜箔绕组的耦合不如绞合线绕组，因此相邻铜箔的间距应尽可能小。聚偏二氯乙稀薄膜的厚度约为7μm。表2给出了无铁芯变压器的主要性能参数，耦合系数可由下式求得：
耦合系数k=(1)
绞合线绕组在500kHz和1kHz时的电阻差别大于同样条件下的铜箔绕组，这可能是绞合线绕组的邻近效应大于铜箔绕组。谐振频率是在次级电路开路条件下测得的。

三、回扫变换器中变压器性能的评估
图2给出了用作评估的变换器电路和电路常数，该变换器的效率是在恒定的输出电压条件下测得的，在该效率计算中末考虑PWMLSI的功耗。

图2 回扫变换器电路和有关常数
注：E(DC源): 18~25(V): PWMLSI(工作状态控制): MB3769A(500kHz)MOSFET: 27NIO(接通状态为0.06Ω); Dd:SGWJZCZ(在接状态为0.55V，0.05Ω)C(平滑电容器): 1000μF， 0.052W; RL:11~52Ω
图3示出了上述两种绕组变压器的效率特性，图4为MOSFET两端的典型电压波形，图5示出了峰值电压与输出电压的关系。

图3 效率与输出功率的特性关系

图4 MOSFET两端电压典型波形，左图为铜箔绕组型的波形，右图为绞合线绕组的波形

图5 MOSFET两端峰值电压与输出功率的关系
四、效率和MOSFET两端峰值电压的计算
4.1效率计算
图6给出了计算效率和MOSFET 两端峰值电压的等效电路。

图6 用于效率计算的等效电路
图中： : 初级绕组电流；:初级绕组电感；: 初级漏感(包含导线电感(=(1-k)); :初级绕组电阻；: MOSFET 接通状态时的电阻；：MOSFET的D-S电容;V:次级绕组电流；:次级漏感（包含导线电感（=））;
: 次级绕组电感 (= ); : 次级绕组电阻（=） Ed: 在次级二极管零电流时的开态电压；Rd:次级二极管的开态电阻；Eo: 输出电压。
当MOSFET接通时，初级绕组电流可由式（2）求得：
(2)
而当MOSFET断开时，次级绕组电流可由式（3）求得：
(3)
上述式中：

:为的初始值（等于的终值）; : 为的初始值（等于的终值）
当MOSFET接通时，会产生功耗，而存贮能量/2，该能量将在下次接通期内在初级电路内耗损。而当MOSFET开路时，会产生功耗，以（E+Eo）电压充电，存贮在中能量当下次接通期内在MOSFET中耗损。由于初级一侧的能量为输出功率和损耗功率之和，故效率为该和值与输出功率之比。现考虑图4的振荡波形，假定初级和次级电路的导线电感各自为10nH，而铜箔绕组的漏感为17nH，此大于表2给出的值。图3给出的计算的效率量值与测量值完全一致，这些结果表明用耦合系数K计算漏感的方法对铜箔绕组是不适用的。

图7示出了图3中计算功耗各个单元，大部分功耗是由绕组电阻所致，因此降低绕组电阻是今后研究的一个主要内容，根据这些结果同时也说明绞合线绕组的性能要稍好于铜箔绕组。


图7 功耗单元
4.2 MOSFET二端的峰值电压计算
文献[3]已详细地分析了开路后MOSFET二端的峰值电压，图8给出了开路后的高频等效电路。

图8 开路后的等效电路
MOSFET二端的峰值电压由下式求得：
(4)
式中为平滑电容器的内部电感，测得值为1.3nH，图3给出了计算值，我们推测其测量值与计算值之差是由于MOSFET门信号上升时间所致。铜箔绕组的峰值电压达到MOSFET可允极限要早于绞合线绕组，这是因为铜箔组的漏感大于绞合线绕组的漏感。

五、用能量恢复电路进行峰值电压抑制和提高效率的研究
抑制MOSFET两端峰值电压，在相同MOSFET额定值条件下，能增加无铁芯变压器的输出功率。作为一种抑制方法，从提高效率的角度来说用能量恢复电路是有好处的，图9为带有一个能量恢复电路的回扫变换器电路的例子，初级漏感中存贮的能量在MOSFE T开路后经二级管Dd被恢复到dc源电压E′，因此，MOSFET二端峰值电压被抑制到E′。如果初级和次级电路之间不需要隔离，因为此时次级电路起到了能量恢复电路的作用，那么这种方法是适用的。实验证明，当E′等于2E时，效率会提高0.5~3%。

图9 采用能量恢复电路的例子
六、结 论
为了简化具有较高耦合系数变压器的组装过程，与常用的绞合线绕组相比，用新型的铜箔绕组是有利的。如果MOSFET二端峰值电压为100V或小于100V条件下，铜箔绕组变压器试样的效率在30W输出功率时为80%，输出功率10W时效率至少可达88%，它低于常用绞合线绕组变压器的效率约1%。开发工作于兆周级的效率高于80%的高功率铜箔绕组变压器是今天的目标，为达到这一目标，必须解决以下一些问题，如减小绕组电阻，绕组电容的利用以及变压器辐射噪声的抑制等。
参考文献
[1]S.Hayano，Y.Nakajima，H.Saotome，and Y.Saito，“A New Type High Frequency Transformer?IEEE Trans.Magn.Nov.，1991.
[2]S.Hayano，Y.Midorikawa，and Y.Saito，“The Film Tramsformer?Proc.ISEM-Sapporo，Feb.，1993.
[3]K.Harada and T.Ninomiya，“On The Mechanism of Switching-Noise Generation and Its Suppression Techniques in a DC-DC Converter?IEICE Trans.，J62-C，Nov.，1979.