摘要：  文章介绍一种以锰锌(Mn-Zn)铁氧体材料为铁心的传输线型高频变压器。这种高频变压器由利用细微颗粒的Mn-Zn铁氧体材料做的铁心、聚酰亚胺膜为绝缘介质、铜箔绕组及铜接地条等零件构成。它使用分布参数电路工作，故称作传输线型变压器。本文研究在终端负载为高阻抗的情况下，存在大电压增益的1/4波长传输线型高频变压器及其在高频功率变换器中的应用。

关键字：  细微颗粒Mn-Zn铁氧体铁心，传输线型高频变压器，电压增益，分布参数

1 引言
在文献[1]中，H.ohguchi等提出了一种以分布参数传输线作高强度放电管的电子镇流器设计方案。他们使用升压变压器作为1/4波长分布参数传输线，因为当承载高阻抗负载例如一个放电管时，它具有大的增益。但是，鉴于镇流器电路的工作频率是1MHz，这样，作为变压器的同轴电缆应为50m长度。这样长的电缆长度才能在缩短波长时产生较小的影响。
另外，文献[2]、[3]的作者们还提出了一种具有传输线结构的磁性器件。这种器件由磁性层（磁心）、导体传输线、介质层（绝缘）和接地片等组成，它们像分布参数传输线那样工作。由于磁性层和介质层对缩短波长的影响较大，所以在1MHz频率工作时，可以使用1/4波长的变压器。
2 传输线型高频变压器
2.1 传输线型高频变压器的结构
图1所示为采用细微颗粒锰锌(Mn-Zn)铁氧体铁心的传输线型变压器的结构简图。其铁心所使用的细微颗粒Mn-Zn铁氧体的颗粒仅有几微米(μm)的直径，同时其高频铁损远远小于一般颗粒度的Mn-Zn锰锌铁氧体材料[4]。由图1可见，传输线型变压器是由内部的平面螺旋形线圈、接地铜片、聚酰亚胺绝缘膜介质层和用细微颗粒Mn-Zn铁氧体铁心组成的多层夹层结构。这种变压器的功能类似于分布参数传输线。其分布电感值可以用具有高磁导率的Mn-Zn铁氧体铁心来增大，同时，传输线导体与接地铜片之间的分布电容值Co，则由铁氧体铁心和介质层的组合层而得到。因此，驻波的波长远远短于自由空间的波长。
2.2 传输线型变压器的传输特性分析
铁心中平面内的磁通量密度φ(x)是与顶部和底部铁心之间的直导体传输线夹层结构相适应的，并由Jones'模型给出[5]。而Jones'公式为：
                          (1)
                                (2)
                              (3)
上列式中，I是流经传输线导体的电流值，μs是铁心的静态相对磁导率，g是上面与下面铁心间的距离，tm是铁心的厚度，w是传输线导体的宽度。Jones还研究了基于静态磁场分析的薄膜型记录磁头的电感量和效率。
为了评估传输线型变压器的动态性能，本文中以复数相对磁导率取代静态相对磁导率，这样，在Jones'模型中：
μs=μs'-μs"                                        (4)
从而λ、α和φ(x)变为：
λ=λ'-jλ"                                         (5)
α=α'-jα"                                        (6)
φ(x)=φ(x)'-jφ(x)"                                  (7)
φ(x)'和φ(x)"可以用Jones'方法的相同边界条件来计算。用在单一导体传输线中的实部和虚部的电感量即可求得。实际的变压器有若干传输线导体，所以，应该考虑相邻传输线导体之间的相互作用，以便求出在第“i”号传输线导体上的分布电感量Lo(i)。由于这些计算方法比较复杂，可以采用软件包“Mathematica”完成数值计算[6]。
另外，传输线导体的分布电阻Rco(i)用夹层型平面电感器的估算方法进行[7]。用这种估算方法时，应考虑由于通过传输线导体的正交磁通产生的涡流，第“i”号传输线导体的分布参数Ro(i)和Lo(i)被用来计算传输特性：
Ro(i)=Rco(i)+ωLo(i)"                               (8)
Lo(i)=Lo(i)'                                       (9)
式中Lo(i)'和Lo(i)"是第“i”号传输线导体的实部和虚部电感值，ω是角频率。
图2所示为一层铁氧体和两层绝缘介质构成的复合层将会影响分布电容。每一层的介质常数和电导率如表1所列。复合介质层的有效参数可以由下列公式求解[2]：
εeff=K1·d/(A2+B2)                             (10)
σeff=K2·d/(A2+B2)                             (11)
式中d是复合介质层的总厚度，K1，K2，A和B如下式求出：
K1=A(ε1σ2+ε2σ1)+B(ω2ε1·ε2-σ1·σ2)/ω                (12)
K2=ωB(ε1σ2+ε2σ1)-A(ω2ε1·ε2-σ1·σ2)                 (13)
A=2t1·σ2+t2·σ1                                                          (14)
B=2t1·ωε2+t2·ωε1                                                      (15)
分布电容Co、电导Go可以根据平行板模型用εeff和σeff，以及如下公式来求解：
                                    (16)
                                   (17)
传输线型变压器的特性可以根据分布参数电路理论，采用Ro，Lo，Go，Co等参数估算，同时，其特性阻抗Zc用下式表达：
                      (18)
表 1  复合介质层的参数
 厚度 电导率 介质常数
绝缘体 t1 σ1 ε1
铁氧体 t2 σ2 ε2

3 传输线型变压器的制造及其特性
3.1 传输线型变压器的制造
传输线型变压器由50μm厚的细微颗粒Mn-Zn铁氧体薄板，35μm厚的铜箔螺旋绕组（传输线/空间=250μm/260μm；匝数为16.5匝），50μm厚的聚酰亚胺膜和粘接树脂制造而成。上层的铁氧体支架和下层的铁氧体平板之间的空气隙约为50μm。这样，制成的变压器尺寸为宽24mm，长54mm和高约2.0mm。总的传输线导体的长度Lc约为1.8m。
3.2 铁氧体磁心的电、磁性能
图3所示为频率与细微颗粒Mn-Zn铁氧体的相对介质常数ε2s和导电率σ2的关系曲线。ε2s是很大的。因此，σ2也相对地较高，这样，传导损耗就不能忽略不计。图4则示出了频率与复合磁导率的实部与虚部（μs'与μs"）的关系曲线。μs'和μs"在1MHz时大约为1500和40。
3.3 聚酰亚胺绝缘层的电性能
为了估算聚酰亚胺膜和粘接树脂构成的绝缘层的性能，具有绝缘体的平行板电容器被用来进行导纳测量。测试的结果如图5所示。虽然绝缘层使用的是有机材料，但其电导率σ1和相对介质常数ε1s相对较高。在高频的情况下，σ1高的原因（换言之，介质损耗相对地大的原因）可能是因为其吸收了潮气。例如，聚酰亚胺的典型吸湿率为1%。
3.4 传输线型变压器的传输特性
图6所示为频率与在短路状况下的等效电感值Ls和电阻值Rs及在开路状况下的等效电容值CP以及导电性GP的关系曲线。在1/4波长状态时频率约为1.3MHz。图中的实线和虚线代表计算值。黑圈和白圈代表试验值。从图中可见，计算值和试验的结果相互间的一致性良好。
图7所示为检测合格的变压器之输出电压Vo、效率η和终端负载电阻RL的关系曲线。这些数据是在1.3MHz频率和输入电压Vin为10V的条件下测得的，该器件的工作原理类似于1/4波长的传输线型变压器。从图中可见，输出电压Vo随RL的增加而增加，例如，当RL为100kΩ时，Vo达到250V。因此，在大的RL时，正好是在RL增加时Vo达到饱和状态。这是由于使用的材料中存在各种损耗。另一方面，在终端负载电阻RL接近等于特性阻抗Zc时，效率可达以95%的最大值，这里的Zc约等于0.8kΩ。所以，在大的RL范围内，变压器的效率η随RL的增大而减小，例如，RL为10kΩ值时的η约为60%。在图7中，计算得出值用实线和虚线代表，计算得到的值Vo和η与测量得到的值相接近。
4 小结
文章叙述了采用细微颗粒铁氧体磁心制造的用作高频功率变换的传输线型变压器的工作原理，制造及电磁性能。虽然在100kΩ负载状况下的变压器具有25的电压增益，但其功率变换的效率很低。为了在高阻抗负载条件下获得较高的电压增益和较高的效率，所有的损耗（包括铁损、铜损和介质损耗）都应该做到尽可能的小。

参考文献
[1] H. Ohguchi， M. H. Ohsato， H. Takagi， T. Shimizu and G. Kimura; "Novel Scheme of Ballast for HID Lamps using Distributed Constant Line"， Record of the IEEE PESC '97， PP. 46-52， 1997.
[2] T. Sato， S. Ikeda， K. Yamasawa; "Basic Investigation of A Magnetic/Dielectric Multil-ayered Transmission-Line Devics"， Jour. Mag. Soc. Jpn. (in Japanese)， vol. 22， pp. 133-138， 1998.
[3] T. Sato， S. Ikeda， K. Yamasawa and T. Mizoguchi; "Transmission-Line Low-Pass Filter for Switching Power Supplies"， Record of the IEEE PESC' 98， pp. 1972-1978， 1998.
[4] S. Ito， Y. Yamamoto， A. Makino， T. Yamaguchi and I. Sasada; "A Low Profile Type High Frequency Transformer using A Fine Grained Mn-Zn Ferrite"， Record of the IEEE PESC '98， pp. 1492-1498， 1998.
[5] R. E. Jones Jr.; "Analysis of the Efficiency and Inductance of Multiturn Thin Film Magnetic Recroding Heads"， IEEE Trans. Magn.， MAG-14， No. 5， pp. 509-511， 1978.
[6] S. Wolfram; "Mathematica"， Second Edition， Addison-Wesley Publighing Company Inc.， 1995.
[7] T. Sato， T. Inoue， H. Tomita， S. Yatabe， K. Nishijima， Y. Tokai， M. Nameki， N. Saito and T. Mizoguchi; "5MHz Switching Micro DC-DC Converter using Planar Inductor"， Proc. of the IEEE INTELEC '96， 15-1， pp. 485-490， 1996.
编译自《IEEE Transactions on Magnetics， vol.35.No.5 sept，1999》