采用铁氧体聚合物印制电路板（PCB）功率变压器的薄型功率变换器
A Low-Profile Power Converter Using Printed-Circuit Board (PCB) Power Transformer with Ferrite Polymer Composite

1.引言
随着电力电子器件的不断改进，电力电子器件的开关速度有可能不断提高。几百千赫兹的开关频率在开关电源中已被普遍使用。高频工作使磁芯减小、功率密度增加。随着频率的增加，磁芯损耗成为了一个不可忽略的限制因素。近来，已经研究了用于信号和功率变换方面的无磁芯印制电路板（PCB）变压器。研究发现，无磁芯PCB变压器可用于200kHz以及更高的工作频率。免去磁芯以及印制绕组的使用为制造薄型、高功率密度的变压器开辟了一种新的方法。
本文，报告采用无磁芯PCB的薄型功率变换器的研究。特点是用无磁芯PCB变压器作为功率变换的隔离变压器。用目前所研究的铁氧体聚合物封闭该变压器的磁场。
2.带铁氧体聚合物印制电路板变压器结构
低高度功率变换器中的印制电路板用于绝缘隔离以及功率变换。图1所示的初级、次级绕组分别印于印制电路板的两面。PCB变压器用于低功率时，比如用于功率MOSFET和IGBT管的绝缘隔离驱动电路时，可以不用磁芯。用于功率MOSFET管中的无磁芯PCB变压器所产生的磁通，与连接到功率MOSFET管漏极终端的高电流印制线所产生的最大磁通相比，可以忽略不计。PCB变压器用于功率变换时，所产生的磁通必将受到限制。PCB两面贴有自粘的铁氧体聚合物层，从而屏蔽磁通。图2为PCB变压器的截面图，几何参数在表1中列出。初级、次级绕组铺于FR-4环氧树脂玻璃纤维层压板的两面。PCB制造过程中，PCB表面铺上一层防止被高电压击穿的焊锡防护膜。焊锡防护膜可以防止PCB上面印制线的误焊。还可以在铜绕组和FPC层之间起绝缘隔离的作用。



3.PCB变压器的特性

本节描述100kHz到10MHz频率范围内PCB变压器的特性。图3表示带FPC层PCB变压器的等效电路模型（包括谐振电容Cr以及电阻性负载RL）。该电路模型类似于无磁芯PCB变压器的精确高频电路模型。在原理上讲，FPC层损耗可以用与互感LM1相连的电阻RC表示。与平面型多层电感中的导体绕组的邻近效应相比，铁氧体衬底的损耗可以忽略不计。为了简化分析，电路模型中的电阻RC可以忽略。 PCB变压器的分布参数用阻抗分析仪HP4194A来测量。由于初级、次级绕组的几何参数完全相同，绕线电阻也相同，可以用下面的经验等式表示：
（1）
从式（1）看出，绕线电阻随着工作频率升高而增加。主要是由趋肤效应和邻近效应所造成的。
电容和电感参数在10MHz时测量。绕组间电容C12为86pF。初级、次级绕组的漏感Llk1和Llk2等于0.206μH。互感为2.173μH。外部接一个谐振电容可以提高电压增益VS/VP和输入阻抗。谐振频率可以根据适当的Cr值来灵活选取。电压增益以及输入阻抗可以表示如下：

电压增益 （2）
（3）
式中

以及

变压器的输入功率为
（4）
变压器所提供的输出功率为
（5）
变压器的效率为
（6）
本文中的PCB变压器通过图6的全波桥式整流器来驱动阻性负载RL。等效电阻RL(eq)与等式（2）－（6）中RL的近似关系为：
（7）
根据等式（2），图4画出带390pF谐振电容时带FPC层PCB变压器电压增益；图5画出变压器的效率。由于PCB变压器用于电源变压器，希望效率高。最大效率频率(MEF)约为4MHz。在这一频率上，当RL=100Ω时，变压器效率大约为94%。在最大效率频率工作的变压器最理想。用功率MOSTET管开关来驱动变压器时，就必须考虑功率MOSTET管开关损耗，它直接与开关频率成正比，电源变压器的开关频率必须尽可能低。因此，变压器损耗必须与功率MOSTET管的损耗一并考虑。在2MHz到7.5MHz频率范围，变压器处于高效率（80％）。因而采用PCB变压器的功率变换器最佳工作频率为2MHz到4MHz之间，下一节将验证这一点。图4表明，PCB变压器电压增益在最佳开关频率范围内在0.84到1.0之间。


4.功率变换器样机及实验结果
PCB变压器由图6所示的半桥型变换器驱动。上下边开关都是IRF630功率MOSFET管（VDSS=200V，RDS(ON)=0.4Ω），采用TO-220封装。在此变换器样机内，TO-220封装的后面金属层（与MOSFET管的漏极相连）直接焊在PCB的印制线焊盘上。这种技术使MOSFET管产生的热消耗散失，同时也减少了功率MOSFET管的超前电抗。而且，变换器可以做得很薄，TO-220封装功率MOSFET管的厚度为4.69mm，PCB的变压器的厚度为1.0mm。变换器样机使用表面装元件时，功率变换器的厚度由MOSFET管的封装厚度决定。

半桥型电源电压为直流120V，谐振电容Cr为390pF。功率变换器的最大效率在2MHz到4MHz频率之间。半桥型变换器内，两个驱动信号之间引入40ns的死区时间。这一死区时间可以防止在过渡过程中浪涌电流穿过两个MOSFET管。功率变换器在不同的开关频率（从1MHz到4MHz）和负载电阻（从30Ω到300Ω）下进行测试。图7表示开环情况下功率变换器的输出电压VO。

图8表示半桥型功率变换器内PCB变压器的效率测量原理图。由于变压器的终端与变换器为非共地连接，因此Tektronix的差动电压探针P5205用来测量PCB变压器的初级、次级电压。带有电流探针放大器的Tektronix电流探针AM503B用来测量PCB变压器的初级、次级电流。必须考虑不同电压、电流探针的延时。在本文测试环境下，不同电压、电流探针的延时分别为10ns和17ns。变压器初级的输入功率Pin是一个周期内初级瞬时电压vp(t)和电流ip(t)乘积的平均值。与此相类似，变压器次级的输出功率Pout是一个周期内初级瞬时电压vs(t)和电流is(t)乘积的平均值。

用数学式表示为
（8）
以及
（9）
此处，T=1/f为一个开关周期。
PCB变压器的功率效率ηtr定义为输出功率与输入功率的比值。因此有：
（10）
所测量的不同负载电阻下变压器效率与开关频率的关系如图9所示。由于变压器由一个半桥型推拉输出电路对驱动，PCB变压器的初级电压为图14所示的矩形波。矩形波电压不仅包含基波频率，而且还含有谐波频率。图5中的预测只考虑了基本频率（正弦激励）。图9中的效率图表明，PCB变压器达到最大效率时的频率约为3.5MHz。图5的预测结果表明最大效率对应频率为4MHz。预测产生的误差是由于假设变压器的激励电压为正弦波而造成的。实际上的电压激励为矩形波。图9中测得的变压器效率曲线走向与图5的预测结果相类似。公式（6）和图5预测变压器效率为预测PCB变压器的最佳开关频率提供了有用的信息。

由于功率MOSFET管的开关损耗直接与开关频率成正比，整个功率变换器的最佳开关频率应当低于PCB变压器的最大开关频率。因此，功率变换器的最佳开关频率在1.5MHz到3.5MHz之间。图10表示带FPC层PCB变压器所测得的功率变换器效率，不包括驱动功率的消耗。变换器的效率在1MHz到2.5MHz之间逐步增加。功率变换器效率的增加是由于图9所示的在1MHz到3.5MHz内变压器效率逐步增加而引起。开关频率大于2.5MHz时，电源开关的开关损耗变得很明显。结果，功率变换器的效率下降，变换器由MOSFET管半桥、PCB变压器、二极管整流器和输出电容组成。从图10可以看到，最大效率时的频率为2.5MHz，它是功率变换器的最佳开关频率。

在功率变换器为最大效率的频率fsw=2.5MHz时，测量不同负载电阻下变换器的效率；结果如图11所示。对80Ω的负载电阻，功率变换器的效率为83.49%；对于轻载RL=200Ω时，功率变换器的效率为76.2%。

图12表示功率变换器的输出功率测量值。当电阻为30Ω时，功率变换器所提供的最大功率为94W。还得到了变换器工作于2.5MHz开关频率、40Ω阻性负载时的波形。图13表示SW1和SW2的门－源电压（VGS1和VGS2）、SW2的漏－源电压（VDS2）以及PCB变压器的初级电流（IP）波形。图14表示PCB变压器的初级电压VP、次级电压VS、初级电流IP、次级电流IS波形。图15示出了有、无铁氧体聚合物材料下无铁芯PCB变压器的照片。




5.结论
本文研究了一种新的低成本、低高度电源变压器的设计方法。变压器的绕组蚀刻于双面印制电路板（PCB）的两面。PCB两面贴有自粘的铁氧体聚合物（FPC）层，从而屏蔽了变压器绕组的磁通。PCB变压器不需要手工绕组和线圈骨架。变压器的总厚度为1.0mm，最外层绕组的半径为1.8cm。用半桥型变换器说明了PCB变压器的工作。详细说明了带FPC层PCB变压器的功率变换器如何选择最佳开关频率的技术。样机所提供的最大功率为94W，总功率的最大效率为83.5%。研究表明，在某一合理的高效率下，功率变换器内用无磁芯PCB变压器可使功率达到100W。由于自粘铁氧体聚合物材料的导磁率较低，其屏蔽效果目前还有限。进一步的研究应当着重于屏蔽材料的改进。■

参考文献：
IEEE Trans. on Power Electronics， 2001年16卷 第4期， 493-498页.