（电机与电器专业论文）半导体变压器设计与分析.pdf

a bs t r a c t t r a n s f o r m e ri st h ee l e c t r i c e q u i p m e n t t h a t t h r o u g h t h e p r i n c i p l e o f e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n , t oac e r t a i nl e v e lo fv o l t a g ep o w e rs h a r i n gt h es a m e f r e q u e n c yi n t oav o l t a g el e v e lo ft h ee x c h a n g e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ，e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ri n d u s t r yi nag r e a t e rp r o d u c tm i xc h a n g e s ，s h o w i n g p r o d u c td i v e r s i t y i n t e r n a t i o n a lp o w e re l e c t r o n i c ss p e e dd e v e l o p m e n to ft h ep r e s e n t m g hf r e q u e n c y ，h i g hp o w e rd e n s i t y ，t h et r e n do fs m a l l ，c o r r e s p o n d i n gt ot h e p e r f o r m a n c eo fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rt ot h eg r o w i n gd e m a n d s t r a d i t i o n a lt r a n s f o r m e ri sat h r e e d i m e n s i o n a le n e r g yc o n v e r t e ro fc o r ea n dc o i l ， b e c a u s eo fl a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，h i g hf r e q u e n c y ， s m a l ls i z e ，l o w - p o w e rh i g h - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r s ，s or e s e a r c h e r sc a t l r e p l a c e c o n v e n t i o n a ln o n - c o r et r a n s f o r m e r i nr e c e n ty e a r sb e c o m eah o ti s s u e s ，a n dt h e r e w e r em a n yn o n - c o r ep l a n a rt r a n s f o r m e r s ，s u c ha sn o n - c o r ep l a n ep c bt r a n s f o r m e r s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e san e wt y p eo fs e m i c o n d u c t o rp l a n et r a n s f o r m e r , a l s o k n o w na si ct r a n s f o r m e r a l t h o u g ht h ep r i n c i p l ei ss a m ew i t ht h ec o n v e n t i o n a l t r a n s f o r m e r , b u th a v eag r e a to fd i f f e r e n c e sf r o mt h et r a n s f o r r n e re v e r t h a nt h ep c b t r a n s f o r m e r ，t h i sn e wt y p eo ft r a n s f o r m e rc o m b i n a t i o no fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ， i nt h es e m i c o n d u c t o rs u b s t r a t e0 1 1t h eu s eo f d o p i n ge t c h i n gp r o c e s st oac e r t a i nc a r t i e r d e n s i t yo ft h ec o i l ，t h es m a l l e r ，m o r ee f f i c i e n t ，m o r ep o w e rd e n s i t y ，i st h et r u e m e a n i n go ft h e ”s e m i c o n d u c t o r ”t r a n s f o r m e r t h i sp a p e ri n - s tt h r o u g hc o n v e n t i o n a lt r a n s f o r m e ro nt h eb a s i cs t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l el e a d st ot h et r a n s f o r m e rs e m i c o n d u c t o rd e s i g n , d e s c r i b e dt h e s e m i c o n d u c t o rt r a n s f o r m e ra n dat h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ec o i ls t r u c t u r e ，a n d u s eat r a n s f o r m e rt ot h ea n a l y t i c a lm e t h o df o ra n a l y s i s ，s i m u l a t eu s i n gs i m u l a t i o n s o f t w a r e t h e ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sf r o mb a s i ct h e o r y ，i n t r o d u c e di nt h em a g n e t i c f i e l da n di t sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ft h ea p p l i c a t i o na n du s eo ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so ft h et r a n s f o r m e rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n t h u s ，t h en e wt r a n s f o r m e r sa r ea n u m b e ro fi m p o r t a n tp a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i c s a tp r e s e n t ，t h et r a n s f o r m e ri so n l yak i n do ft h e o r e t i c a lr e s e a r c hs t a g e ，b u tw i t ha m o r ei n d e p t hr e s e a r c h , s e m i c o n d u c t o rt r a n s f o r m e rw i l lh i g h l i g h tt h ea d v a n t a g e so fi t s w i d e l yu s e di nn a t i o n a ld e f e n s e ，a e r o s p a c e ，c o m m u n i c a t i o n s ，c o m p u t e r s ，a u t o m o t i v e e l e c t r o n i c s ，d i g i t a lp r o d u c t s ，a n do t h e rf i e l d s ，i so fi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：i n t e g r a t e dc i r c u i tt r a n s f o r m e r , e n g i n e e r i n gm a t h e m a t i c s ，f e m ， m o d e l i n ga n da n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 萄l 磷签字同期：如矿年妇知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 萄1 确聊签名：嗷 r 厂i 签字闩期：乒哪年了月如同签字同期：猫年f 月f 1 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀下匕 半导体变压器是一种新型的平面变压器，也可以称为i c 变压器。作为半导体 技术和变压器技术相结合的一种新型能量变换装置，半导体变压器的出现顺应了 电子技术的发展趋势，其最大特点是取消了传统变压器的磁芯部分，因此具有体 积小、重量轻、功率密度及工作频率更高等优点。 变压器是通过电磁感应原理，把某一种电压等级的交流电能转换成频率相同 的另一种电压等级的交流电能的装置。从1 8 8 5 年问世至今，变压器发明至今已有 1 4 0 余年的历史了，并随着电子技术的发展而发展，电子变压器行业的产品结构 发生了较大的变化，显现出产品类型多样性。国际电力电子技术飞的速发展呈现 微型化、小型化片状化的趋势，相应的对电子变压器的性能指标提出了越来越高 的要求。传统的电子变压器已经远远不能满足市场发展的需求【l j 。 五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路的出现，它把许多晶体管等电 子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。随着集成电路超大规 模化及片上系统集成以及各种电子元器件片式化，印制电路板p c b 表面安装高密 度化的飞速发展，整机厂商对电子变压器的微、小型化需求日趋迫切，市场需求 拉动这类产品向轻薄微型、高频化、低损耗、表面贴装以及新材料、新结构方向 突飞猛进地发展。 所以，研究能够取代常规立体变压器的变压器成为近年来的热点。先后出现 了压电陶瓷变压器、非晶合金铁心的微型电子变压器、纳米结晶合金铁心微型电 子变压器、金属一非金属纳米结晶铁芯的微型电子变压器、平面变压器等微型变 压器等新型变压器。其中，平面变压器的设计思想与常规线绕变压器存在较大差 异，是目前变压器设计与制造的一个重要的发展方向，以其更高的功率密度，更 高的工作频率，更低的损耗以及更小的体积得到越来越多的关注。其中，p c b 平 面变压器属于最常见的一种平面变压器，通常利用在p c b 板上印制铜质线圈的方 式制作线圈绕组。 下图( 1 1 ) 便是一种p c b 平面变压器的线圈结构示意图 第一章绪论 图1 1 一种p c b 平面变压器初、次级绕组结构示意图 其立体结构示意图如下图( 1 2 ) 所示 绝缘层 引出线 b 4 初级 b 3 b 2 引出线b l b o t t o m ：lb h m t h 自e _ h 日h - - 旧 一一f ll 丸 i * 女 l t 。 一“1 l k r 一i j 6 l ： lt a r l r 一t ”一 l - - i i 一 f l 一一一一 l _ i i l 图1 2 一种p c b 平面变压器立体结构示意图 该平面变压器的绕组采用交叉结构( s psp ) ，充分利用初次级绕组的位置， 将初级线圈放在次级线圈之间，初次级绕组层交替叠放。 但是即使是这种变压器也只是在原有基础上的近一步改进，并没有完全取消 铁心，由于铁心的存在使得它向小体积、高效率方向的发展受到了限制，并且， 2 第一章绪论 当功率达到一定数值时，由于趋肤效应的存在使得该种变压器的损耗急剧增加， 效率则急剧降低。 而半导体变压器不仅完全取消了铁心，而且结合半导体技术实现了更小体 积、更高功率密度，是变压器发展历史上的一个重要的里程碑。 1 2 半导体变压器的特点 由于半导体变压器属于无铁心平面变压器，较之传统变压器，其特点也很明 显。如：功率密度高，效率高，漏感低，散热性好，成本低、工作频率高等。 由此可见，半导体平面变压器作为一种新型的电子变压器从整体上说，明显 优于传统变压器以及其他任何带有铁芯的新型平面变压器。 1 3 国内外发展状况 变压器是通过电磁感应原理，把某一种电压等级的交流电能转换成频率相同 的另一种电压等级的交流电能的装置。常规变压器是带有铁心和线圈的立体的能 量变换器，由于大规模集成电路技术的发展，需要高频率、小体积、低功耗的高 频变压器，所以研究能够取代常规立体变压器的平面变压器( 如p c b 电路板平面 变压器) 成为近年来的热点，但是即使是这种变压器也只是在原有基础上的近一 步改进，并没有完全取消铁心【5 j 。 半导体变压器是一种最近才被提出的变压器模型，它在一块半导体衬底的上 下两面利用掺杂工艺制作出螺旋状的轨道作为原副绕组，这种轨道具有很高的载 流子密度而且电阻很小，完全取代了金属线圈，同时取消了铁心，它的提出意味 着真正的二维平面变压器的出现已经成为了可能，是真正意义上的“半导体”变 压器。 但是对于半导体变压器的研究还只是停留在理论阶段，所做的工作也只是提 出了这一新的概念，在数值分析、电磁干扰、温升以及制作工艺等方面还有很多 问题需要解决。 1 4 本课题研究意义 本项目主要内容是对该新型的半导体平面变压器进行研究，建立数学模型并 利用解析法及有限元分析等方法进行仿真分析，论证该变压器的可行性，获得该 变压器特性的第一手资料，并进一步完成样机的制作，由理论研究向工程应用过 渡。 比起常规的立体变压器，半导体变压器从根本上取消了铁心，线圈采用半导 第一章绪论 体制作工艺，这种新型结构的提出具有很大意义：首先，取消了铁心，使工作频 率更高，损耗更低，可用于小功率低功耗变换器和隔离变压器，尤其是高频开关 电源；其次，体积更小，可集成于i c 电路，对集成电路的发展将起到推动作用； 第三，功率密度更高，使电路更简洁，系统小型化，使完整电路封装成为可能。 该新型半导体平面变压器是传统变压器所不能比拟的，无论在成本、体积、 重量、性能等方面都更胜出一筹，而其发展迅速，它必将在通讯、计算机、汽车 电子、数码相机、数字电视等领域得到广泛的应用；也将在国防、航空、航天等 对重量、体积和性能要求较高的领域拓展出一个崭新的局面。 本项目完成后，对半导体变压器模型的仿真结果将为后续研究提供理论依 据，对于该新型变压器的研究必将达到国际先进水平。 4 第二章半导体变压器基本理论 第二章半导体变压器基本理论 2 1 变压器基本理论 2 1 1 变压器用途 变压器是一种静止的电器设备，能将某一电压的交流电能转变为同频率的另 一电压的交流电能设备【l o 】。 各种不同的用电设备常常需要不同电压的电源【1 3 】。我们日常生活用的电灯、 电器的工作电压为2 2 0 伏，安全照明用灯的电压为3 6 伏、2 4 伏或1 2 伏；三相 交流电动机一般用3 8 0 伏电压，而发电厂的发电机发出的电压一般为6 1 0 千伏。 通常电能要经过输电线路输送给远距离的用户，为了减少电能的损耗，节省材料， 就需要将发电机发出的电压升高到1 0 、3 5 、1 1 0 、2 2 0 、3 3 0 千伏等高压或超高压 进行远距离输电，这就需要用变压器将电压升高；当电能送到用户区，又必须用 变压器将电压降低，以保证用户安全用电，可见变压器是供电系统中一种重要的 电气设备。在现代电力系统中，一千瓦的发电容量通常要配用5 8 千伏安的变压 器容量，可见电力变压器的需要是很大的。 在实际工作中，变压器除了用来变换交流电压外，还用它来变换交流电流( 例 如电流互感器、大电流发生器等) 、变换阻抗( 例如电子线路中的输入、输出变 压器) 、改变相位( 改变接线和极性) 等。 变压器的种类很多，根据其不同的用途可分为：电力变压器、试验变压器、 仪用互感器、电炉变压器、电焊变压器、调压变压器等。 变压器按其线圈结构可分为：单线圈变压器、双线圈变压器、三线圈变压器 及多线圈变压器。 按相数可分为：单相变压器、三相变压器、多相变压器( 如可控硅整流设备 中的六相变压器) 。 按冷却方式可分为：油浸式变压器、干式变压器、充气式变压器等。 按调压方式可分为；无载调压变压器、有载调压变压器。 按中心点绝缘可分为：全绝缘变压器和半绝缘变压器。 变压器种类有很多，但基本原理都是相同的。 第二章半导体变压器基本理论 2 1 2 常规变压器的构造 变压器的主要构成部分有铁心、线圈、油箱附件等。现简介如下： ( 1 ) 铁心 铁心是变压器磁路部分。为了提高磁路的导磁系数和降低铁心的涡流损耗， 铁心用彼此绝缘的、厚度为o 3 5 毫米的电工硅钢片叠制而成。铁心分为心柱和 铁壳式两个部分。铁心柱上套装线圈，铁轭将铁心柱连接起来，使之形成闭合磁 路。根据结构型式和工艺特点，变压器的铁心可分为叠片式和渐开线式两种。 ( 2 ) 线圈 线圈是变压器的电路部分，一般采用绝缘纸包的铜线或铝线绕成。为了节省 钢材，我国变压器线圈大部分采用铝线。变压器中，接到高压电网的线圈称为高 压线圈，接到低压电网的线圈称为低压线圈；按照线圈在铁心上的排列方式来分 类，变压器可以分为铁心式和铁壳式两种。 ( 3 ) 油箱和附件 油箱 油箱是电力变压器的支持部件，它不仅支持着电力变压器的重量，而且也支 持着变压器所有附属部件的重量。变压器器身安置在油箱里面，其它部件及附件 分别布置在油箱的顶部、底部或侧面上。电力变压器的油箱一般做成椭圆形，因 为它的机械强度高，且所需的储油量较少。电力变压器油箱的结构型式是按照散 热器的要求而选定的。低损耗电力变压器1 0 0 千伏安以下，采用管式油箱，1 0 0 0 千伏安也有采用波纹油箱的，容量在1 6 0 0 千伏安以下的变压器也有采用片式散 热器油箱的。 油枕 为了防止潮气侵入，希望油箱内部和外界空气隔绝。小容量变压器可将箱盖 闭紧，容量超过7 5 千伏安或高压线圈额定电压超过6 3 千伏的变压器，在油箱 顶盖上安装了一个油枕( 也称膨胀器或储油器) ，以减少油和空气的接触面，降低 他的氧化速度。油枕为一圆筒形的容器，用管道与变压器的油箱连通，使油面的 升降限制在油枕中。 净油器 净油器是用来改善运行中绝缘油的特性，防止油继续老化的装置，净油器有 时也称为滤油器，它的主要部分是用钢板焊成的圆筒形净化罐。其中装满粗颗粒 吸附剂( 如硅胶、活性氧化铝等) 。它上下各有连通管与油箱连通，利用上、下 温度的差别，使油通过其中的吸附剂不断地流动，对油起着过滤净化作用，从而 使油质保持清洁及良好电气、化学性能，延长油的使用期限。 温度计 6 第二章半导体变压器基本理论 在变压器上装置温度计，是为了测量和监视油箱中的上层油温。温度计有酒 精温度计、气压式温度计、电阻式温度计等几种。一船小容量变压器采用酒精温 度计，大容量变压器中采用气压式和电阻式温度计。 2 1 3 变压器工作原理 虽然变压器有不同的种类和结构形式，但它们的基本工作原理是相同的，都 是根据“动电生磁”和“磁动生电”的电磁感应原理工作的，现以最简单的单相 变压器为例说明之。 单相变压器有两个线圈，其中接交流电源的那个线圈称为原线圈或原绕组， 也叫一次线圈、原边或初级。接负载的线圈为副线圈或副绕组，也n - - 次线圈、 副边或次级。原线圈中的电压、电流及电动势各物理量分别用、i ，和e ，表示。 副线圈中各相应的物理量分别用、如和乞表示。l 、2 分别表示原、副线圈 的匝数。 如果在原线圈两端外加一正弦交流电压u ，则原线圈中特有交变电流，。通 过，因而在铁心中激励一交变磁通。由于磁场分布的复杂性，磁通的分布也是较 复杂的，为了便于分析问题，我们将总磁通分成等效的两部分磁通，其中一部分 磁通沿铁心闭合，同时与原、副线圈相交链，称为主磁通或互感磁通；另一部分 磁通主要沿非铁磁材料( 沿变压器油或空气闭合) 仅与原线相交链，称为原线圈 漏磁通，仅与原线圈相交链的称为副线圈漏磁通。主磁通占总磁通的绝大部分， 而漏磁通只占很小的一部分。 根据电磁感应定律，交变磁通将在原线圈中产生自感电动势巨，同时在副 线圈中产生互感电动势丘，漏磁通分别在原线圈、副线圈中产生漏感电动势互。、 e ，的情况下，副线圈中的电动势己对负载来说就相当于电源电动势，因而在副 线圈与负载连接的回路中产生了电流，将电能转换为其它形式的能量。 由上分析可知，负载所消耗的电能是通过变压器铁心中的交变磁通，从原线 圈传递到副线圈的。能量由交流电源供给，铁心中的磁通是传递能量的轿梁。即 变压器少能量的传递是按“电一磁一电”的途径进行的。这就是变压器的基本工 作原理。 值得注意，变压器只能传递电能而不能产生电能，它只能改变交流电的电压 和电流。遵循能量转换和守恒的原理，如果变压器副边有一定的能量输出，那么， 原边就必须有相应的能量输入。如果忽略变压器内部的能量损耗，则变压器输入 功率和输出功率必定相等。 第二章半导体变压器基本理论 2 2 特殊变压器简介 变压器的种类很多，在电力工程中，除了大量采用两线圈变压器外，还常用 三线圈变压器以及原、副边之间不仅有磁场的耦合而且有电的直接联系的自耦变 压器。在高电压及大电流的测量方面，为了安全和方便起见，广泛采用互感器。 在把交流电能转化为直流电能的整流设备中，广泛采用整流变压器。此外还有许 多其它的特殊用途变压器。例如具有陡峭外特性的电焊变压器，能有几万安培输 出电流的电炉变压器等。 2 2 1 三线变压器 在发电厂和变电所内，常常需要把几种不同电压的输电系统联系起来；有时， 由于输电距离的不同，发电厂发出的电能需要采用两种不同的电压输出；在这些 情况下，采用三线圈变压器比较经济。例如，发电厂中发出的电压为u ，电能 用两种电压以和以。输送到相同的电网，这时若采用双线圈变压器，则需要额 定电压分别为( u c r ：) 和( v l 以) 的变压器两台，采用三线圈变压器，则只 需要额定电压为( u 以以) 变压器一台，这就使发电厂和变电所的设备简单、 经济、维护管理方便。因此，三线圈变压器得到广泛应用。 2 2 2 自耦变压器 普通变压器的原线圈与副线圈之间只有磁的联系而没有电的联系。自耦变压 器的特点在于原、副线圈之间不仅有磁的联系，而且还有电的直接联系。 自耦变压器的主要优、缺点： ( 1 ) 优点 ( a ) 节省材料：这是因为自耪变压器的计算容量小于额定容量，所以在同 样的额定容量下，它的有效材料( 硅钢片和铜线) 和结构材料( 铜材) 都相应地 减少： ( b ) 成本低：根据统计资科，自耦变压器比普通变压器成本大约降低3 0 左右： ( c ) 损耗小：自耦变压器的有功损耗和无功损耗都小于同容量的普通变压 器； ( d ) 运输及安装方便：由于自耦变压器用材省，所以重量轻，体积小，便 于运输； 在超高压电力系统中，自耦变压器对改善系统的稳定性能起一定的作用。这 是因为自耦变压器高、中压线圈之间的电损减少的结果。由于自耦变压器有许多 第二章半导体变压器基本理论 优点，因此，在现代电站和变电所，特别是在高电压、大容量的电力系统中已被 广泛采用。 ( 2 ) 缺点 自耦变压器在电力系统中采用时，也存在一些不利的影响，简述如下： ( a ) 自耦变压器的中性点必须直接接地，或者经电抗器接地 当自耦变压器的高压侧网络内发生单相接地故障时，在其中压线圈上将出现 过电压。过电压的倍数随变压比的增大而增大。为了防止这种情况发生，其中特 点必须直接接地。 ( b ) 引起系统短路电流的增加 因为自耦变压器高、中压线圈有自耦联系，使其电抗比普通变压器小，将使 三相短路电流显著增加；另外，由于其中性点必须直接接地也导致单相短路电流 增大。 ( c ) 电压调整比较困难 由于高、中压线圈的自耦联系，采用抽头线端调压时，调压范围很小。尤其 是有载线端调压，则变压器结构很复杂，制造上尚有一定困难，中点调压虽然经 济，但对高、低压的电压调整率很难协调：中压侧线端串联有载调压是很理想的， 然而必须付出高昂的设备投资。 ( d ) 继电保护和线圈过电压保护复杂一些 高、中压线圈部有共同的中点以及负载运行方式的特殊性使继电保护方式较 复杂。自耦变压路一般应装设差动保护，过电流保护，瓦斯保护和线圈过负载保 护装置。 由于高、中压线圈有自耦联系，当在某一侧出现大气或操作过电压时，另一 侧的过电压可能超过其绝缘水平。因此，高、中压侧出线端必须装设避雷器。 2 2 3 调压变压器 在电力系统中，为了保证供电质量，利用有载分接开关，可以实现带负载调 节电压的目的。可是，这种调压变压器的调压范围一般不大。 在工业、农业、国防和科学研究等部门中，为了试验研究等目的，常常需要 能在大范围内无级平滑地改变输出电压的变压器，作为电压可调节的通用电源， 称为调压变压器。 这种调压变压器一股有两种形式：( 1 ) 自耦式调压变压器；( 2 ) 感应式调压 变压器。现简介如下： ( 1 ) 自耦式调压变压器 自耦式调压变压器有单相的，也有三相的。单相自耦式调压变压器的工作原 9 第二章半导体变压器基本理论 理，与上节讨论的自耦变压器完全一样，只不过它的铁心做成环形，线圈就绕在 这个环形铁心上。副线圈的接头是一个能够沿着线圈的裸露表面自由滑动的电刷 触头，当移动电刷触头的位置时，就可以平滑地调节输出电压。三相自耦式调压 变压器可由三个单相自耦式调压变压器组合而成，原理也完全一样。通常使用的 自耦式调压变压器，最大容量只有几十干伏安，电压只有几百伏。 ( 2 ) 感应式调压变压器 感应式调压变压器是电机型调压设备。感应式调压变压器的结构和电磁原理 类似于一般立式绕线式转子异步电动机，能量转换关系类似于一般变压器。借助 于伺服电机或手轮带动传动机构，使调压变压器定于、转子相对位置发生变化。 在这种情况下，对于单相调压变压器即改变了二次线圈感应电动势的大小，而相 位角不变，也就是只改比改变输出电压的幅值。对于三相调压变压器，则改变了 二次线圈感应电动势的相位，可借助自耦或双圈式的线路连结，使输出电压能够 在一定范围内获得无级、平滑的调节。 感应式调压变压器的调压范围大，波形和调压特性都较外。由于它是无触电 调节，在使用寿命和可靠性方面优于接触式调压变压器；在体积、重量相空载电 流方面优于接触式调压器；在使用场合方面不像磁性调压变压器需要配用特定负 载。 2 2 4 互感器 在电力系统中，高电压相大电流不能直接测量，必须借助互感器将一次电量 转变为具有一定标准值的二次电量再接入一般测量回路。 根据不同的用途，互感器可以分为电压互感器相电流互感器两种。 ( 1 ) 电压互感器 在测量电力网的高电压时，借助于特制的仪用变压器，将一次高压转换为较 低的二次电压后，再去测量。这样做不仅可以使高电压与低电压隔离，以保证人 员和仪表的安全。而且可以扩大仪表的量程。这种专门在测量时用广变换电压的 变压器称为电压互感器( 也称p t ) 。 ， ( 2 ) 电流互感器 电流互感器与电压互感器类似，也是一种测量用的特殊变压器，不过它是用 来变换电流的，所以电流互感器从前也称为变流器。后来，人们一般把直流电变 换成交流电的仪器设备称为交流器，于是就把变换交流电流大小的电器，根据工 作原理称作电流互感器( 也叫c t ) 。 l o 第二章半导体变压器基本理论 2 2 5 整流变压器 现代的工业企业，广泛地采用直流电源。在冶金工业上，有色金属的冶炼及 电解铜的生产；在化学工业上，电解、电镀、试剂和化学药品的生产；在矿山机 械、钢铁工业及交通运输的驱动上，超重机、轧钢机、电机车、电气火车以及城 市交通的电车均需要直流电源。 整流变压器是整流设备的电源变压器，它是整流设备中重要的织成部分。它 的任务就是与整流元件一起，把交流电变为直流电。 按用途分类，整流变压器可分为冶金、化工和牵引用三大类。它们在调压方 式、调压范围和二次侧相电压上有所区别，共同特点是二次电压低、电流大。为 了提高整流效率，二次侧的相数一般不少于三相，有时采用六相、十二相或者加 移相线圈。 整流变压器与普通变压器在结构上的主要特点是铁心采用优质冷轧硅钢片 迭装，以减少损耗。为了承受电磁力的作用，铁心和线圈加强绑扎和支撑。此外， 在负载特性上也不相同。电力变压器的二次负载一般认为是恒定阻抗，输出电流 为正馅波。整流变压器由于整流元件的整流作用，使得整流变压器线圈中的工作 电流波形是不规则的非正弦波形，它会影响整流变压器的二次侧的端电压，因而 造就影响整流器直流电压的特性。 2 2 6 隔离变压器 本文所研究的变压器可应用于隔离变压器，隔离变压器实质上是变压比为1 ： 1 的变压器。从结构来说，普通变压器因要变换电压、电流和阻抗，其一、二次 绕组匝数比不会等于或近似为1 ，而隔离变压器却可以；从功能上说，普通变压器 用于实现电能或信号的传输和分配，达到变压、变流及阻抗匹配的目的，而隔离 变压器的功能却是隔离电源、切断干扰的耦合通路和传输通道。 隔离变压器根据用途的不同，一般可分为丽大类。一类广泛用于电子电路中， 作为一种抑制噪声干扰的有教措施，扮演“干扰隔离”的角色，称为干扰隔离变 压器。它可使两个互有联系的电路相互独立，不能形成回路，从而有效地切断了 干扰信号从一个电路进入另一个电路的噪声通路。还可用来断开共地环路，抑制 噪声磁场的影响，切断公共阻抗耦合干扰通道。比如电子设备如模拟电子仪表、 数字电子仪表及工业控制计算机等，由于接在公用电网上，各种用电设备的起停、 大功率电力电子装置中晶闸管元件的快速导通与截止，在电网中产生冲击尖峰脉 冲和高状谐波。使它们不能正常工作。对此除了可敷设专用供电线路以外，还可 以采用隔离变压器加以隔离实践证明，隔离变压器是一种简便易行的抗干扰措 第二章半导体变压器基本理论 施，可以有效地隔断通过电源供电线路传导耦合的各种工业干扰。在使用中，干 扰隔离变压器的位置应尽量靠近负载，以减少次级回路再次拾取噪声的可能。一 些对质量要求较高的变量及信号放大器还要求干扰隔离变压器的原边和副边之 间均分别加屏蔽层的“三重屏蔽”方式。只要屏蔽层接地良好，就能有效地抑制 从初级绕组耦合到次级绕组的电容性耦合噪声。 另一类隔离变压器的主要功能是隔离电源，我们称之为电源隔离变压器。比 如许多彩色电视机使用不带电源变压器的开关式稳压电源，2 2 0 v 单相交流电与 彩电底板呈直通状态。在维修过翟中稍有不慎就会发生触电事故，所以必须采用 安全隔离措施来加以预防。使用电源隔离变压器就能起到“安全隔离”的作用。 它的匝数比( 变比) 亦为1 ：1 ，但在太多数情况下，考虑到变压器中存在着各种 损耗，故常将次级匝数设计得比初级匝数多3 5 。初级绕组与次级绕组之间 绝缘良好，不漏电，使初、次级间无电气上的直接联系，从而起到安全隔离的作 用。 下面简单地介绍一下利用电源隔离变压器进行电源安全隔离的原理。我们知 道，电源的零线是与大地相接的。当人站在地面上碰触到电源相线时。就有电流 通过人体流人大地形成回路，从而造成触电事故。如果我们在单相2 2 0 v 交流电 源与家用电器之间接人一个隔离变压器，就使得变压器次级两端都不接地而呈 “悬浮”供电状态。此时即使人体偶尔触及变压器次级的任意一端。也不会形成 闭合回路。人体上没有电流通过，所以不会发生触电事故。这种变压器又称之为 安全隔离变压器。必须注意的是，在这种情况下，人体不能同时触及变压器次级 的两个接线端，否则仍会发生触电事故。用于单台家用电器的隔离变压器，容量 一般为1 0 0 1 5 0 w 。如多台家电合用，其隔离变压器的功率应大于家电功率之和。 由上文可知，干扰隔离变压器具有“干扰隔离”的作用，而电源隔离变压器 具有“安全隔离”的作用。一般而言，不论何种变压器均具有“隔离”的作用。 如电力变换器除了变换电压、电流，实现阻抗匹配以外，还具有将高低压电网相 互隔离的功能。电子设备及广播通信中的线间变压器。除了实现阻抗匹配，有效 传递交流信号之外，还能隔离各级的静态直流工作状态，避免它们相互影响，同 时线同变压器还使负载隔离，起到减小直流静态损耗的作用。只不过这些变压器 的“隔离”作用在其主要用途中处于次要的地位上，是一种附加功能。在实际情 况下，往往要求变压器具备多种功能，一个好的变压器，既能隔离电源。又能变 换电压或电流，完成阻抗匹配，还能起到抑制干扰、有效传输工作信号的作用。 在工作和生活中，我们可以根据需要加以选用。 1 2 第二章半导体变压器基本理论 2 2 6 1 隔离变压器的电源滤波作用 用于工业现场的微机控制系统及高精度的检测系统，其供电电源引起的干扰 问题是首先需要解决的问题，但也是一个难于解决的问题。工业现场的干扰信号 主要源于电感器件的切断、可控硅整流、机械触点接通电感器件。这些强干扰信 号会直接污染电网馈入电源，并通过电源变压器来干扰控制系统。其次，是通过 空间辐射来干扰。目前常用的抗干扰方法，一种是针对干扰直接馈入电源的情况， 在控制系统电源变压器初级电源入口处加入阻容滤波器采用阻容滤波器，不但在 滤波电阻上要造成电能的消耗，而且由于电容元件本身除具有电容量之外还具有 电阻及电感，这样，在某个频率段上，电容与自身的电感自谐，而在高于自谐频 率段上，电容器具有电抗元件的性质，其阻抗值随频率的增加而增加；另一种方 法是针对空间辐射干扰而采取的用金属网将工业现场的控制装置屏蔽，尽管这种 屏蔽可以有效地抑制辐射干扰，但对于辐射馈入电源中的干扰并不能抑制。针对 干扰信号的传播途径，利用变压器具有的滤波作用与屏蔽作用，本文提出了在控 制系统供电变压器之前再加入一级l ：l 隔离变压器的方法来扼制干扰，并通过推 导变压器的频率特性来分析它的滤波作用。 2 2 6 2 隔离变压器的屏蔽作用 隔离变压器具有很好的屏蔽作用。这是因为，当辐射的高频干扰信号进入导 线时，两个变压器的原副绕组之间寄生电容可将高频干扰通过隔离变压器的副边 而入地，即隔离变压器的副边与电源变压器的原边形成一个屏蔽层。 2 2 7 平面变压器 2 2 7 1 平面变压器简介 高频率、高功率密度的电源变换模块在电力电子设备中得到广泛应用和发 展。要提高变换器的功率密度，关键是降低磁性元件的体积和重量。一方面，从 传统的电磁理论考虑，对于一定的线圈窗口面积和铁芯横截面积，对最优结构， 要求线圈回路和铁心回路的长度最短，以减小铁心总体积和线圈的平均长度。另 一方面，从热设计理论考虑，最大化地增加磁性元件的散热表面积，使从磁件热 点到磁件表面积的热阻降低，从而提高功率密度。无疑，平面化的磁性元件占有 相当大的优势。 目前，国际上已有许多厂商在积极研制和开发。如日本的t d k ：日立铁氧体； 美国的信号变压器公司；平板变压器技术公司；多源技术公司；欧洲的西门子和 第二章半导体变压器基本理论 飞利浦等。国内也已有许多厂家在研制开发。 因此，有生产能力的变压器厂家应积极研制开发标准化的，系列化的平面变 压器，以适应高频开关电源的发展。同时也为变压器行业的发展开刨了一个新的 领域。 平面变压器是近年来发展起来的一种新技术，它的研制成功，使电源变压器 的体积大幅减小，特别是高度得到了有效降低，是变压器技术的一次伟大飞跃田j 。 同常规变压器比较而言，除了体积优势之外，平面变压器还有着其他独特优点， 如漏感小、损耗低、频率高、便于散热、一致性好等。因此得到了广泛的应用。 目前平面变压器出现了很多种不同的实现方法，应用比较广泛的有矩阵式平 面变压器、箔式平面变压器、印制板平面变压器等。其中印制板变压器又有两种， 一种是利用单块多层板来实现；另一种是利用多块双层板来实现。后者集成度稍 差，但是成本低，应用范围更广。 传统变压器的绕组常常是绕在一个磁芯上，而且匝数较多。而平面变压器 原边绕组的匝数通常也只有数匝，不仅有效降低了铜耗和分布电容、电抗，而且 为绕制带来了很多便利。由于磁芯是用简单的冲压件组合而成的，性能的一致性 大大提高，也为大批量生产降低了成本。 平面变压器绕线匝数大大少于传统的变压器，结构更紧凑，磁耦合大大优于 传统的变压器，漏抗小，所以它可以在更高的频率下工作，有利于电源转换效率 的提高。紧密的磁芯的几何形状限制了热点的产生，降低了热耗，因此允许更高 的能量密度。同时本身的散热条件大大优于传统的变压器。所以平面变压器的体 积、重量大大降低，而效率更高。 2 2 7 2p c b 平面变压器特点 电力电子设备不断朝着更小体积、更高功率密度和更高效率发展，变压器作 为电力电子设备中的关键元件之一，其体积变得更小、重量变得更轻、性能也在 很大程度上得到了提升。特别是p c b 板平面变压器与传统线绕变压器相比，无论 在成本、体积、重量、性能等方面都更胜出一筹，且发展十分迅速。它已在通讯、 计算机、汽车电子、数码相机、数字电视等得到了广泛的应用；也将在国防、航 空、航天等对重量、体积和性能要求较高的领域拓展出一个崭新的局面。 p c b 平面变压器的绕组采用p c b 板生成，具有以下特点： ( 1 ) 平面绕组，由p c b 工艺制作，生产效率高； ( 2 ) 绕组参数的一致性好，离散小； ( 3 ) 采用高绝缘性能材料，层间、匝间和线间绝缘性好； ( 4 ) 引脚分布局限性小，可自由分布引脚位置，数量不受限制； 1 4 第二章半导体变压器基本理论 ( 5 ) 趋肤效应影响可以做到最小； ( 6 ) 物理结构紧密，线圈一体固化结构紧密，无需绕线支架； ( 7 ) 可以控制应用模板一体设计装配； p c b 平面变压器具有以上特点，它开辟了变压器和高频率开关电源的一个崭 新的发展空间，将会使变压器和高频率的开关电源应用更加迅速。 2 3 半导体变压器 2 3 1 半导体变压器简介 随着集成电路超大规模化及片上系统集成以及各种电子元器件片式化，整机 厂商对电子变压器的微、小型化需求日趋迫切，市场需求拉动这类产品向轻薄微 型、高频化、低损耗、表面贴装以及新材料、新结构方向突飞猛进。 半导体变压器是一种新型变压器模型，无论是在理论基础方面、材料创新方 面、电性能方面和产品体积等方面都有了很大的技术进步、改革和创新。它在一 块半导体衬底的上下两面利用掺杂工艺制作出螺旋状的轨道作为原副绕组，这种 轨道具有很高的载流子密度而且电阻很小，完全取代了金属线圈，同时取消了铁 心，它的提出意味着真正的二维平面变压器的出现已经成为了可能，是真正意义 上的“半导体”变压器。 2 3 2 半导体变压器优点 由于结合了半导体技术且取消了传统变压器中的铁心，和常规变压器相比， 半导体变压器具有很多方面的优点，如： ( 1 ) 体积小、重量轻； ( 2 ) 由于没有铁芯的存在，所以能量损耗主要是线圈铜耗，故半导体变压 器还具有较高的功率密度； ( 3 ) 传统变压器通常低频运行，铜耗不仅与电流大小有关，还与工作频率 有关，当工作频率越高时损耗越大。因此，传统变压器工作频率不会很高。但是 半导体变压器由于取消了铁芯且线圈的耦合系数较大，而且通常应用在微电子产 品中，所以工作频率通常较高，可以达到m h z 级。 由此可见，半导体平面变压器作为一种新型的电子变压器从整体上说，明显 优于传统变压器以及其他任何带有铁心的新型平面变压器。 2 3 3 半导体变压器应用范围 半导体变压器与常规变压器相比取消了铁心，高度得到了最大的缩小。这一 1 5 第二章半导体变压器基本理论 特色对电源设备中在空间受到严格限制的场合下具有相当大的吸引力，从而可成 为许多电源设备中首选的变压器。半导体变压器结构上的优势，也为它的电气特 性带来了许多优点：功率密度高，效率高，漏感低，散热性好，成本低等。 由于平面变压器的突出特点是体积小、效率高。因此最适合的应用领域是空 间存在限制或对节能及散热要求苛刻的地方。目前的典型应用有通信领域的 a c d c 前端和d c d c 转换器、模块开关电源及u p s 。有望应用于国防、航空航天、 通讯、计算机、汽车电子、数码产品等多个领域，具有重要意义。 随着技术的进步，大批量生产的可能性越来越大，其价格也会大幅下降，平 面变压器也会从中高档应用走向消费类电子等主流产品市场，成为电子变压器中 的佼佼者。 1 6 第三章半导体变压器结构及建模分析 第三章半导体变压器结构及建模分析 本章主要介绍了半导体变压器的加工工艺，半导体变压器立体结构及线圈结 构，并进行了建模分析。 3 1 材料的选用及加工工艺 随着市场需求的断提高，考虑到加i