（电机与电器专业论文）半导体平面变压器的设计研究.pdf

a b s t r a ct 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 tw h i c h w o r k si n t h ep r i n c i p l eo f e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n , i t sf u n c t i o ni st oc h a n g ee l e c t r i cp o w e rf r o mo n ev o l t a g et o a n o t h e rw h i c hs h a r i n gt h es a m ef e q u e n c y w i t ht h e d 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 yh a sc h a n g eal o t s m o r ea n dm o r et y p eo f p r o d u c ta r ec r e a t e d 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 sd e v e l o pq u i c k l y ，i f ss h o w st h a t h i g h e rf r e q u e n c y ，h i g h e rp o w e rd e n s i t ya n ds m a l l e rs i z ew i l lb em o lea n dm o r e i m p o r t a n c e ，a n dt h eb e r e rp 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 ri sn e e d e d 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 n e rm a d eo fc o r ea n d c 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 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 si sd e m a n d ，i nr e c e n ty e a r st h e r e s e a r c ho fr e p l a c i n gc o n v e n t i o n a lt r a n s f o r m e rw i t hk i n do fc o r e l e s st r a n s f o r m e r r e c e i v e sm u c hc o n c e r n , a n dm a n yp l a n a rt r a n s f o r m e r st u r nu p s u c ha sp c bp l a n a r t 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 ft r a n s f o r m e rw h i c hn a m e ds e m i c o n d u c t o r p l a n a rt r a n s f o r m e r ，a l s ok n o w na si ct r a n s f o r m e r t h ep r i n c i p l eo fi ti st h es a m ew i t h t h ec o n v e n t i o n a lt r a n s f o r m e r , b u ti th a sl o t so fd i f f e r e n c e sf r o mt h et r a n s f o r m e r i t u s et h ed o p i n ge t c h i n gp r o c e s si nt h es e m i c o n d u c t o rs u b s t r a t et oc r e a t eac e r t a i n c a r r i e rd e n s i t yo ft h ec o i l ，c o m p a r ew i t ht h ep c bt r a n s f o r m e r , i f ss m a l l e r ，m o r e e f f i c i e n t ，a n dp o w e rd e n s i t yi sh i g h e r i t sak i n do fr e a lm i n i t y p ep l a n a rt r a n s f o r m e r t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c et h eb a s i cs t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e c o n v e n t i o n a lt r a n s f o r m e r a l s ot h el i m i t a t i o n si sd e s c r i b e dw h e nt h e yu s e di ns w i t c h p o w e rs u p p l ya n dt h ea e r o s p a c ea r e a t h e nt h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l e o ft h es e m i c o n d u c t o rp l a n a rt r a n s f o r m e ri si n t r o d u c e d a f t e rt h a tt h ec i r c u i tm o d e l o fi ti ss e tu pa n dt h ec a l c u l a t i o no ft h ec o m p o n e n t p a r a m e t e r si sd e s o l v e d t h ew e a r ， t e a ra n dt h ee f f i c i e n c yo fs e m i c o n d u c t o rp l a n a rt r a n s f o r m e ri sa n a l y s i s e d a tt h ee n d o ft h ep a p e raf u r t h e rr e s e a r c ha b o u tt h ev o l t a g ea m p l i f i c a t i o nf a c t o ro fs e m i c o n d u c t o r p l a n a rt r a n s f o r m e ri sc a r r i e do u t a tp r e s e n t ，t h es e m i c o n d u c t o rp l a n a rt r a n s f o r m e ri s o nak 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 hm o r ei n d e p t hr e s e a r c h , o b v i o u s l y t h e yw i l lb ew 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 ee l e c t r o n i c s ，d i g i t a lp r o d u c t sa n do t h e ri m p o r t a n tf i e l d s k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o rp l a n a rt r a n s f o r m e r ，c o r e l e s s ，h i g hf r e q u e n c y e f f e c t s ，c a l c u l a t i o no ft h ec i r c u i tp a r a m e t e r s ，a m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c 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，也不包含为获得苤鲞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。 学位论文作者签名牛蟹哗 签字日期。渺7 年厶月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤叠态鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘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： 签字日期：删7 年 扮崎 6 月，日 导师虢可忆痉 一肌干阳厂日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 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，变压器发明已经有一 百二十多年的历史了。作为电力电子产品中必不可少的部件，变压器广泛渗透到 国家的科技、能源、环保、资讯、通信、生命科学、材料和交通业，并随着电力 电子技术的发展而发展。 电子变压器是各类变压器在电子设备中的统称。传统的电磁式电子变压器主 要是采用矽钢片、铁氧体、漆包线、塑料骨架为原材料，其产品体积大而笨重， 损耗大，转换效率不高，易受潮、易烧断、机械强度不大，参数变化范围小，同 时易产生电磁干扰、温升较大，难以在高频条件下运行。在电子设备的电源部分， 变压器常常占据了很大的体积。依赖于铁氧体铁芯和线绕线圈制作的常规变压器 体积较大，因此，由常规变压器构成的电源变换器限制了电子系统所能达到的最 小尺寸【l 】。 五十年代末期，世界上第一块集成电路诞生了，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， 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，市场需求拉动电 子变压器向轻薄微型、高频化、低损耗、表面贴装方向发剧2 1 ，对其材料、结构 也提出新的要求。 近年来，随着以i s d n 、l a n 、个人计算机和工作站等为代表的电子设备的小 型化、高效率化的不断发展，轻、薄、小成为衡量电子设备的重要标志。越来越 多的设备，如笔记本电脑、手机等，对电源变换器提出了越来越高的要求，期望 它们拥有更小的体积、更高的功率密度及更高的效率 3 。5 1 。而传统的电磁式电子 变压器由于所用材料带来的固有缺点禁锢了其发展，已经远远不能满足市场发展 的需求。新的要求呼唤新的产品。 应运而生的一些变压器，如压电变压器，其原理为利用压电材料本身具有的 正、逆压电效应，实现电能、机械能、电能之间的转换【5 】。多层压电陶瓷变压器 成为国内外厂商的研发热点。与常规的电磁变压器相比，压电变压器尺寸小，在 高频范围内能量密度大，升压比大，转换效率高，输出波形好，耐高温，阻燃， 第章绪论 使用时不会击穿，无铜损耗及电磁噪声，结构简单，不要铁芯，易批量生产，能 节约有色金属，特别适合电子信息领域【6 一】。 另一种被称为平面变压器的新型变压器则有效地解决了传统变压器无法解 决的体积及高频问题，与传统变压器相比，平面变压器最大的区别在于铁芯及线 圈。它一般采用小尺寸的e 型、r m 型、灌型或环型铁氧体铁芯，在5 0 0 - - 7 0 0 k h z 高频下有较低的铁芯损耗，同时它取消了漆包线线圈。目前平面变压器出现了许 多不同的具体实现方法，应用比较广的主要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。其中印制板平面变压器又有两种，一种是利用单块多 层板来实现；另一种是利用多块双面板来实现。 印制板平面变压器是运用高新技术制成的铁氧体电感元件，这种结构的变压 器没有漆包线线圈，而是将扁平的连续铜质螺旋线刻蚀在印制电路板上，然后叠 放在铁芯上，这种设计使得直流铜阻低、漏感低和分布电容小，可满足准谐振电 路的设计要求。较之常规变压器它有以下优点： ( 1 ) 一致性好。常规变压器由于线圈间隔不规则和人工组装的不一致性都会 导致器件性能有较大的差异。平面变压器的多层制造过程采用机械加工，有利于 提高变压器线圈的一致性。 ( 2 ) 可重现化。线圈的几何形状及其有关寄生特性限定在p c b 制造公差之内 ( 极小的公差) ，因此可实现特性重现。 ( 3 ) 低损耗性。线圈由薄铜层构成，同时整个变压器可制成扁平的，从而降 低了集肤效应的损失。 ( 4 ) 小型化。能量密度高，因而体积大为缩小；厚度远小于常规变压器，适 用于表面贴装方式组装。 ( 5 ) 低漏感。漏感一般均小于0 2 因此电磁干扰( e m i ) 辐射低，基本不受 外界电磁干扰的影响。 平面变压器从问世到现在短短的1 0 多年间已经在通信、笔记本计算机、汽车 电子、数码相机、数字化电视等方面得到了有效的应用。其产品品种已涉及到常 规的铁氧体铁芯变压器的各个方面，如功率变压器、带宽变压器和阻抗匹配变换 器等。平面变压器的突出优点是一致性好、体积小，因此特别适合于在内部空间 小、对节能和散热要求苛刻的电子设备中使用【8 j 1 1 。在国防、航空、航天等对重 量和稳定性要求极高的领域，平面变压器的应用也将会给系统的小型化开拓一个 崭新的局面。 由于平面变压器是一种新技术产品，工艺难度较大，故目前世界上只有为数 不多的一些厂家能够生产。以色列p a y t o n 公司生产的平面变压器1 9 9 8 年正式面 市。日本f t i 公司生产的系列扁平变压器主要用于蓄电池充电电源、通信设备分 2 第一章绪论 布式电源、u p s 等。在我国，虽有研制生产平面变压器的，但基本处于起步阶段。 采用平面变压器可以显著降低变压器的高度，减小体积和重量，提高变压器 的功率密度及电子器件的性能，从而为实现某些特殊情况的电能转换，如运用于 航天航空，以及其他一些空间或高度存在限制或对节能及散热要求苛刻的环境。 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 铁芯，因此仍然存在铁芯损耗等缺点。于是社会各界开始寻求一种无芯变压器， 在这种提示下，半导体平面变压器的基本模型变得越来越清晰了。 1 2 国内外发展状况 半导体平面变压器是一种最近才被国外专家提出的变压器模型，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初、次级线圈，其螺 旋轨道的圈数即为其匝数，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，刻蚀在半导体基片上的初、次级线圈之间具有很高的电磁耦合， 故可以取消铁芯，它的提出意味着真正的二维平面变压器的出现已经成为可能， 具备更优良的性能。 半导体平面变压器设计涵盖了广泛的科技领域，包括半导体材料选取、载流 子刻蚀技术研究、电路集成封装技术、以及m a t l a b 仿真等。其中任何一个领 域的研究都发挥了重要作用，这些领域所取得突破和成果对半导体平面变压器设 计工作产生积极影响。但是到目前为止，对于半导体平面变压器还只是停留在理 论研究阶段，对半导体平面变压器的设计方法和设计过程目前还在探索之中，其 真正产品甚至样品都还未能面世，但其广阔的发展前景的必将吸引一大批学者、 专家的目光，相信若干年后，半导体平面变压器定能横空出世，广泛应用于国防、 航空航天、通讯、计算机、汽车电子、数码等多个领域。 比起常规的立体变压器，半导体平面变压器从根本上取消了铁芯，线圈采用 半导体制作工艺，这种新型结构变压器的提出具有很大意义： 首先，取消了铁芯，使工作频率可以更高，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，半导体平面变压器功率密度很高，能使电路更简洁，将电路系统小型 第一章绪论 化，使完整电路封装成为可能。 本项目完成后，对半导体平面变压器模型的仿真结果将为后续研究提供理论 依据，对于半导体平面变压器的研究将达到新的高度。从而催生其样品甚至其产 品的制造。 1 4 本论文主要工作 本课题研究的半导体平面变压器是最近几年才被提出的新型变压器，目前还 没有产品面世。由于半导体平面变压器采用半导体材料制作，取消了铁芯，其线 圈也跟传统意义的普通线圈存在较大的差别，传统变压器的设计方法不再适用， 本文在传统变压器设计思想的基础上，综合考虑了无铁芯结构和高频效应带来的 影响，对半导体平面变压器的设计做出研究。本课题的主要内容如下： ( 1 ) 介绍常规变压器的基本结构和工作原理，分析了其在开关电源、航天航 空等应用场合的局限性；引出半导体平面变压器的概念。 ( 2 ) 描述了半导体平面变压器的立体模型及线圈结构，介绍了其基本工作原 理；依照常规变压器的模式搭建其电路模型。 ( 3 ) 对半导体平面变压器等效电路中各电路参数进行计算，利用m a t l a b 对高频条件下的电感计算做了仿真分析。 ( 4 ) 对半导体平面变压器进行损耗分析，其损耗分为基本损耗和高频损耗， 介绍了高频引起的集肤效应、邻近效应。并从传统变压器的效率分析入手，对半 导体平面变压器的效率进行推导和分析。 ( 5 ) 利用s i m p o w e r s y s t e m s 以及基于m a t l a b 的编程分别设定恒定变比， 变动负载和恒定负载，不同变比，对不同条件下的幅频特性进行了仿真。 4 第二章半导体平面变压器基本理论 2 1 变压器概述 第二章半导体平面变压器基本理论 2 1 1 变压器的用途与分类 变压器是利用电磁感应，以相同的频率，在两个或更多的线圈之间变换交换 电压或电流的一种静止电气设备。 从电厂发出的电能，要经过很长的输电线路输送给远方的用户，为了减少输 电线路上的电能损耗，必须采用高压或超高压输送。而目前一般发电厂发出的电 压，由于受绝缘水平的限制，电压不能太高，这就要将电厂发出的电能电压经过 变压器进行升高送到电力网。这种变压器统称升压电力变压器。 对用户来说，为了安全与经济，要求各种用电设备的电压又不能太高。因此， 也要经过变压器将电力系统的高电压变成符合用户各种电气设备要求的额定电 压，作为这种用途的变压器统称降压电力变压器。电力变压器是电力系统中用以 改变电压的主要电气设备【1 2 1 。 从电力系统的角度来看，一个电力网将许多发电厂和用户联在一起，分成主 系统和若干个分系统。各个分系统的电压并不一定相同，而主系统必须是统一的 一种电压等级，这也需要各种规格和容量的变压器来连接各个系统 13 1 。所以说 电力变压器是电力系统中不可缺少的一种电气设备。 其他类型的变压器，如整流变压器、电炉变压器、各类调压器、互感器、电 抗器等，虽然结构形式各有所异，其具体作用也有所不同，但其宏观用途仍是用 以变换电压或电流的。 变压器有不同的使用条件、安装场所，有不同的电压等级和容量级别，有不 同的结构形式和冷却方式，所以应按不同原则进行分类【l 4 】。 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。 按电源输出相数可分为：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：油浸白冷变压器、干式( 自冷) 变压器、油浸水冷或风 冷变压器、氟化物( 蒸发冷却) 变压器。 第二章半导体平面变压器基本理论 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。 按铁芯结构可分为：心式铁芯变压器、壳式铁芯变压器、c 型、t 型及环形 铁芯变压器。 按防潮方式可分为：开启式变压器、密封式变压器、全密封式变压器。 2 1 2 传统变压器的结构 以三相油浸电力变压器为例，它由三相初、次级线圈，铁芯，油箱，底座， 高低压套管，引线，散热器( 或冷却器) ，净油器，储油柜，气体继电器，安全气 道，分接开关，温度计等组件和附件所构成【l3 1 。其组成部分作用概述如下： ( 1 ) 铁芯：铁芯是变压器最基本的组成部件之一。铁芯由导磁性能很好的硅 钢片叠放组成，它形成闭合磁路( 为减少涡流损失，硅钢片和螺栓均作绝缘处理) ， 变压器的初级线圈和次级线圈都绕在铁芯上。铁芯的主要作用是导磁。 ( 2 ) 线圈：线圈也是变压器的基本部件。变压器有初级线圈和次级线圈。它 们是用铜钱或铝线绕成圆筒形的多层线圈，绕在铁芯拄上，导线外边采用纸绝缘 或纱包绝缘等。根据一次、二次侧电压的高低可确定初、次级线圈匝数的多少， 同时根据变压器容量的大小确定初、次级线圈的导线截面。线圈的主要作用是产 生电势，传送电流。 ( 3 ) 油箱：它是变压器的外壳，内装铁芯和线圈并充满变压器油。使铁芯和 线圈浸在油内。变压器油起绝缘和散热作用。 ( 4 ) 油枕：当变压器油的体积随着油的温度膨胀或缩小时，油枕起着储油及 补油的作用，保证油箱内充满油，同时由于装了油枕，使变压器油缩小了与空气 的接触面。降低了变压器油的劣化速度。油枕的侧面还装有油位计，可以监视油 位的变化。在有的变压器油枕中，放置有一个耐油尼龙橡胶薄膜囊，囊外是油， 囊内是空气，薄膜将油和空气隔离，可减缓油的劣化。 在油枕和防爆管之间还有一个小管连通，使两处空气压力相同，油面相同， 避免由于油面变化造成气体继电器误动。 ( 5 ) 呼吸器：它由一铁管和玻璃容器组成，内装干燥剂。油忱内的空气随变 压器油体积的膨胀或缩小而排出或吸入时、都会经过呼吸器，呼吸器内的干燥剂 吸收空气中的水分，对空气超过滤作用，从而保持泊清洁。 ( 6 ) 防爆管，又叫喷油管。它一般装在变压器的顶盖上，喇叭形的管子与油 枕或大气连通，管口用薄膜封注。另一种安装方法是在防爆管下端与变压器焊接 处装设连接法兰，在法兰连接处用薄膜封住管道形成气道膜式的防爆管。当变压 器内部发生故障，温度升高时，油剧烈分解，产生大量气体。使油箱内压力剧增， 6 第二章半导体平面变压器基本理论 这时防爆管薄膜破碎，油及气体由管口喷出，从而防止变压器油箱爆炸或变形。 目前中等容量的变压器已采用压力释放阀取代防爆管，它的工作原理是：当 变压器内部发生故障，油箱内压力增大到一定值时，压力将弹簧活塞阀门顶开； 释放出油及气体，从而防止变压器油箱爆炸或变形。 ( 7 ) 散热器，又称散热翅、冷却器。它的外形有瓦楞形、扇形、板形、排管 形等。散热面越大，散热效果越好。当变压器上层油温与下部油温存在温差时， 通过散热器形成油的对流，经散热器冷却后的油流回油箱，从面起到降低变压器 温度的作用。为提高变压器袖的冷却效果，可采用风冷、强迫油循环风冷和强迫 油循环水冷等措施。 、 ( 8 ) 绝缘套管：变压器的各侧线圈引出线必须采用绝缘套管，以便于连接各 侧引线。套管有纯瓷、无油和电容等不同形式。 ( 9 ) 分接开关，又称切换器。这是调整电压比的装置。双线圈变压器的初级 线圈及三线圈变压器的初、次级线圈一般都有2 至5 个分接头位置( 3 个分接头 的变压器的中间分接头为额定电压位置，相邻分接头电压相差5 ；多分接头的 变压器相邻分接头之间电压相差2 5 ) ，操作部分安装在变压器油箱顶部，经传 动杆伸人变压器油箱，可根据运行的需要并按照指示的标记来选择分接头位置。 有的变压器装有有载调压装置。 ( 1 0 ) 瓦斯保护。它是变压器的主要保护装置，安装在变压器的油箱和油枕 的连接管上。当变压器内部发生故障时，气体继电器介触点接信号回路( 轻瓦斯 保护) ，下触点接断路器跳间回路( 重瓦斯保护) 。 ( 11 ) 其他变压器附件包括：温度计、热虹吸、吊装环、人孔支架等。 2 1 3 平面变压器 平面变压器是近年发展起来的一种新技术，它的成功研制，使电源变压器的 体积大为减小，特别是高度得到有效降低，是变压器技术的一次飞跃。同常规变 压器相比，除了体积优势以外，平面变压器还有许多其他独特的优点，如漏感小、 损耗低、频率高、便于散热、一致性好等，因此得到了广泛应用。目前平面变压 器出现了许多不同的具体实现方法，应用比较广的主要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 1 5 - 1 6 。其中印制板平面变压器又有两种，一 种是利用单块多层板来实现；另一种是利用多块双面板来实现。后者集成度稍差， 但成本低，应用范围更广。 印制板平面变压器结构如图2 1 所示。该变压器使用的是高度较低，底部面 积较大的平面铁芯。同常规的漆包线线圈不同，该变压器的线圈是利用印制板上 的螺旋形印制线来实现的。印制板中间被挖空用于安装铁芯。各印制板之间由绝 7 第= 章半导体十面变压g 基本论 缘胶带或空白印制板绝缘。铁芯直接将印制板夹在中间，然后通过胶带或金属夹 固定。图2 - 2 为镶嵌在主电路板上的平面变压器。 扁平铁芯结构使其高度得到有效的降低。另外由于没有铁芯骨架，进一步节 省了体积。因此这种平面变压器非常适合于对体积特别是高度有严格要求的应用 领域。印制线成扁平状，其厚度一般为3 5 9 i n 。在频率小于1 4 m h z 时，铜的集 肤深度都小于印制线厚度的一半。通常开关电源频率都远小于这个值，集肤效应 可以忽略。因此印制板平面变压器适用于高频的应用。 市面上出售的平面变压器铁芯有带夹槽和无夹槽两种1 】。带夹槽铁芯通过 厂家提供的夹板来固定；无夹槽铁芯之间的固定采用树脂胶合的方式。采用带夹 槽铁芯的变压器适用于高温升场合，且比较牢同，如图2 3 ( 曲所示；无夹槽铁芯 制成的变压器高度比带夹槽的变压器要低一些。设计者可按实际情况选择铁芯。 若选择无夹槽铁苍，注意树脂不可粘在两块铁芯的结合面，这样铁芯之间会存在 气隙，应把树脂粘在铁芯的外侧，如图2 3 ( b ) 所示。 平面铁芯散热面积较大提高了铁芯的散热性能，在一定程度上提高了变压 器的功率密度。印制板结构克服了常规变压器线圈的不确定性因素，一致性好， 便于批量生产。另外在不同的印制板之间贴上绝缘胶带后，可以使不同线圈之间 的耐压强度得到很大提高，因此可应用于高压领域。该结构还棍容易实现一次级 线圈的交织以减少据感。由于印制线非常薄，在大电流的应用领域，即使不考虑 集肤效应，其直流损耗也是不可忽略的。要减小直流电阻。只能增加印制线线圈 的宽度。这样将占用较多的铁芯窗口面积。因此印制板平面变压器不适用于大电 流的应用。大电流的情况下，通常直接使用铜箔作线圈。 每层p c b 板墅i 图 】印制板平面变压器典型结构 r 绕组层1 绕组层2 绕组层3 绕组层4 第= 章半导体平面变压器基本g 论 镶嵌在主电瞎板 上的平面变压器 图2 - 2 镶嵌在主电路板上的平面变压器 0 ) 带夹槽铁芯的平面变压器 粘结点 粘结点 出 ( b ) 无夹槽铁芯的平面变压器 图2 - 3 两种变压嚣铁芯的粘结方式 当一层印制板布不下一个线圈时，需要多层印制板相串联。如果线圈匝数过 多，需要串联叠加的板层就会太多，这给设计和安装带来了不少困难，也降低了 变压器的可靠性，因此印制板平面变压器的线圈匝数不能设计得过多，且在高 频下，线豳层与层之间的分布电容的影响不可忽视。从减小体积的角度考虑层 、 1 第二章半导体平面变压器基本理论 与层之间距离越小越好，但同时分布电容也越大。因此在体积和分布电容之间要 进行适当的取舍。 综上所述，印制板平面变压器由于其独特的优点，应用领域非常广泛。在高 频、高压、中功率的两相开关电源变压器中都可应用。特别是在对体积和温升要 求较高的应用中更显示出它的优越性。但它不适合于大电流和线圈匝数过多的应 用领域。 2 - 2 半导体平面变压器结构特点及其工作原理 2 2 1 半导体平面变压器制作材料的选用 传统变压器体积大而笨重，损耗大，p c b 平面变压器在一定程度上解决了 体积矛盾，但是，由于它没有彻底取消铁芯，仍然难以满足一些高端前沿技术领 域对电压变换的苛刻要求，如航空器件的供电、微型探测仪的电源部分等。 因此，设计半导体平面变压器去适应显得尤为重要了，随着市场需求的不断 提高，考虑到加工工序的合理化、加工环境的整洁化及半导体材料的加工精度越 来越高等因素，半导体制作设备必须在高精度和高安全性、高清洁度、小型化、 工件输送技术、操作简便化及加工自动化等六个方面不断有所改进。 制造该半导体变压器的材料和制造电子元器件的材料相同，都是圆形单晶硅 硅片，称为硅片。半导体制造技术很复杂，有许多特殊工艺步骤，如硅片制备、 芯片制造、芯片测试和挑选、装配和封装等。根据不同的制作要求，芯片被制造 并封装到各种电子元器件中【l8 1 ，由于芯片的制造成本大幅降低，所以制造半导 体变压器的成本很低。 单晶硅基片之所以在诸多半导体元素或化合物半导体等材料中脱颖而出，成 为超大规模集成电路器件的基片材料，原因在于s i 是地球表面存量最为丰富的 元素之一，其本身无毒而且具有很宽的带隙。 半导体变压器采用刻蚀技术利用掺杂工艺将线圈刻蚀在半导体基片上，加工 工艺简单。 2 2 2 半导体平面变压器结构特点 传统变压器的线圈常常是绕在一个铁芯上，且匝数较多；p c b 平面变压器 是在p c b 板上印制线圈；而半导体平面变压器是一种新型变压器，通常应用于 高频条件下，频率可达几兆赫兹甚至几十兆赫兹，结构特点是在一块半导体基片 的上下两面利用掺杂工艺蚀刻出螺旋状轨道作为初、次级线圈，其立体图结构如 图2 4 所示。 1 0 # = 章半导俸平面变e g 基奉理镕 轴线 与1 覆强题匿匿j 醪孵彩 半导体基斤 、- 次级线圈 图半导体平面变压器立伴结构示意图 这种轨道具有很高的载流子密度而且电阻很小，完全取代了传统线圈，由于 韧、次级线圈之间间距小，耦台系数较大，所以可以取消铁芯。 由于结合了半导体技术且取消了传统变压器中的铁芯，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台系数较大，所以工作频率通常较高，可 阻达到m h z 级，通常应用在微电子产品中。 ( 4 ) 半导体变压器与常规变压器相比取消了铁芯高度得到了最大的缩小。 这一特色对电源设备中在空问受到严格限制的场台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。 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 优于传统变压嚣以及其他任何带有铁芯的新型平面变压器。 223 半导体平面变压器的工作原理 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。现以传统的单相变 压器为例说明之。 单相变压器有两个线圈，如图2 - 5 所示，其中接交流电源的那个线圈称为初 级线圈或一次线圈，也叫初级绕组、原边绕组或原边线周。接负载的线圈为次级 线圈或二次线圈。也叫次级绕组、副边绕组或副边线圈。初级线圈中的电压、电 第二章半导体平面变压器基本理论 流及电动势各物理量分别用、厶和e ，表示。次级线圈中各相应的物理量分别 用觇、乃和局表示。m 、2 分别表示初、次级线圈的匝数。 主磁通如 i l l 一 i ， - i ，一、 一 l- - - - + (l - ) f ( 盐 ) 妒正：， 1l) l ) f 局f 如 风 肆 、卜冬； 十十 ：i ) 一一 i 、 、 j， l ( 廿 ) * ) i ( 、 一 、一 _ _ _ - _ _ - _ 。 图2 。5 传统单相变压器工作原理图 如果在初级线圈两端外加一正弦交流电压，则初级线圈中有交变电流乃 通过，因而在铁芯中激励一交变磁通。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 分磁通沿铁芯闭合，同时与初、次级线圈相交链，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) 仅与初级线圈相交链，称 为初级线圈漏磁通，仅与次级线圈相交链的称为次级线圈漏磁通。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，交变磁通将在初级线圈中产生自感电动势e ，同时在 次级线圈中产生互感电动势易，漏磁通分别在初级线圈、次级线圈中产生漏感 电动势e s ，、e s 2 ，变压器初、次级线圈中产生的感应电动势为式 式中 e l ：4 4 4 厂l 圆芯， l e 2 = 4 4 4 厂2 口芯 既铁芯中最大的磁通密度，t s铁芯截面积，m 2 厂 电压频率，h z ( 2 1 ) 第二章半导体平面变压器基本理论 m初级线圈匝数，匝 肥次级线圈匝数，匝 这样就得到：e ，e 2 = n i n 2 。 由此可见，变压器一、二次电动势之比等于初、次级线圈匝数之比。由于变 压器线圈有阻抗，即一次电压奶略大于e ，而二次电压以略小于历。如忽略 阻抗压降，则有 u ie l n 1 一= 一= 一 u 2e 2n 2 ( 2 - 2 ) 这个关系式说明变压器一、二次电压之比近似等于初、次级线圈匝数之比。 这个比值称为变压器的电压比。 变压器通过电磁耦合关系，将一次侧的电能传输n - - 次侧去，如忽略漏磁因 素以及变压器自身损耗，那么，向变压器输入的功率就等于变压器向负载输出的 功率，负载输出的功率，即u 2 1 2 = u l 厶，所以 h z n 、， ，h 一7n2 ( 2 3 ) 这说明变压器一、二次电流与初、次级线圈匝数成反比。 实际上，次级线圈中的电动势历对负载来说就相当于电源电动势，因而在 次级线圈与负载连接的回路中产生了电流厶，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芯中的交变磁通，从初级 线圈传递到次级线圈的。能量由交流电源供给，铁芯中的磁通是传递能量的桥梁。 即变压器能量的传递是按“电一磁一电”的途径进行的。这就是变压器的基本工 作原理 1 9 - 2 1 】。 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，如果变压器次级有一定的能量输出，那么， 初级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。 半导体平面变压器工作的基本原理与传统变压器是一致的，其初、次级线圈 的匝数即为初次级螺旋线圈的圈数，相比之下，半导体平面变压器取消了铁芯， 其磁通通过很薄的半导体基片传至次级，磁通损耗非常小，故能很好地完成磁场 与电能的转化。设初次级螺旋线圈的圈数分别为，、m ，初级线圈中产生自感 电动势e ，同时在次级线圈中产生互感电动势历，则仍有变比系数满足： 第二章半导体平面变压器基本理论 n = 丝= 旦( 2 - 4 ) n 2e 2 n = 一= 一 同时初级线圈端电流乃与负载端的电流1 2 满足1 2 = n 厶。 2 3 半导体平面变压器的电路模型 2 3 1 传统变压器的电路模型 变压器只有应用在电路中才能起到变压效果，为了更好地分析变压器在电路 中的作用，以及准确计算变压器在电路运行中各个电磁量的大小，常运用等效电 路的方法进行分析。如图2 - 6 所示为一台传统单相变压器的t 形等效电路。借鉴 传统变压器的分析方法，可以同样建立半导体变压器的等效电路模型。 图2 - 6 传统单相变压器t 形等效电路图 对于传统变压器，根据变压器运行时各电磁量的关系，得到变压器稳态运行 时基本方程式为 u 1 = 一e 1 + ，l z l u 2 = e 2 1 2 2 2 e l e z i 、+ 翌：i ， 刀 1 0 生 厶 u 2 = 1 2 z l 1 4 ( 2 - 5 ) 第二章半导体平面变压器基本理论 由于变压器的初、次级线圈在电路上没有直接联系，仅有磁路的联系，也就 是说，二次负载电流乃是通过它产生的磁动势尼与初级线圈联系的，可见，只 有保持r 不变，就不会影响一次的日发生变化，为此，我们完全可以把实际次 级线圈的匝数假想成为m 、电流为厶，令厶m 的大小和相位与原r 相同，即 1 1 n f i 稍2 - f 2 ( 2 6 ) 这种保持线圈磁动势值不变，而假想改变其匝数和电流的方法，称为折合算 法 1 2 - 2 1 ，如果保持次级线圈磁动势不变，而假想它的匝数与初级线圈匝数相同的 折合算法，称为次级线圈折合成初级线圈或简称为二次向一次折合，当然也可以 一次向二次折合，或者一次、次级线圈匝数都折合到某一匝数上。也就是说 实际值与折合值或折合前的值与折合后的值之间有一定的关系，这种关系称为换 算关系，其中电动势换算关系为 阻抗换算关系为 端电压换算关系为 意：坠意2 ：n e3 i n 2 ( 2 - 7 ) z z ：t ：2 胛l 1 ：2 z z l ：萎乏三：i 羔：三：釜 c 2 - 8 ， z ，= 胛2 2 2 或足= 甩2 尺2 ，z ，= 玎2 x 2 i 、7 “= n d r 2( 2 - 9 ) 采用折合算法后，变压器一次侧量为实际值，二次侧量为折合值，基本方程 式就成为 u i = ej 牟1 1 z i u t = e ：一i2 z ： e l = 丘 i 。+ i ：i 。 i 0 - - - - e _ _ z i z m u 2 = i l z 。 ( 2 1 0 ) 第二章半导体平面变压器基本理论 根据以上6 个方程式，得到变压器的等效电路如图2 - 6 所示，图中次级线圈 两端接着的负载阻抗的折合值为乙，若只看变压器本身的等效电路，其形状像 字母“t ，故称为t 型等效电路。 2 3 2 半导体平面变压器的电路模型 由于半导体平面变压器在原理上与传统变压器并无二致，都是按照“电一磁 一电”的途径来进行电压等级的变换，其变比都与初、次级线圈的匝数相关，所 不同的只是变压器的具体实现结构，故而半导体平面变压器的电路模型与传统变 压器也是类似的，所不同的半导体平面变压器是取消了铁芯，不同于常规变压器 会在铁芯中存在铁耗，所以初、次级等效电路之间只有互感而没有形成铁耗的等 效电阻。 当半导体变压器高频运行时，初次级线圈之间就会形成极间电容，这点也区 别于低频运行的常规变压器。 综上所述，得到该半导体变压器的高频等效电路，如图2 7 所示。 其中 图2 7 半导体平面变压器高频等效电路 初级线圈电阻 次级线圈电阻 初级线圈电感 次级线圈电感 初、次级线圈间电容 初级线圈电容 初、次级线圈互感 1 6 r k k q 厶 第二章半导体平面变压器基本理论 l 2 次级线圈电容及外加电容之和 气 外加负载 7 p 输入电压 7 s 输出电压 n 初、次级线圈匝数比 值得一提的是，传统变压器中，采用铁芯是为了给变压器初、次级线圈提供 了更好的耦合，p c b 变压器耦合较差，有较大的漏感，为提高初、次级线圈之 间的耦合度，可以用铁氧体聚合物层分别贴在双面p c b 板的表面以屏蔽磁通， 两者之间喷涂阻焊层以实现隔离，而半导体平面变压器由于初、次级线圈平面间 距非常小，故两线圈间具有很高的耦合性，因此不再通过物理途径改善耦合系数， 而往往采用谐振电路以得到高的电压放大倍数。等效电路中c 2 7 即用于决定整 个变压器的谐振频率。 第三章半导体平面变压器的参数计算 第三章半导体平面变压器的参数计算 半导体平面变压器电感的计算 3 1 1 螺旋线圈的模型简化 半导体平面变压器的线圈不同于传统变压器的漆包线线圈，而是在半导体材料 基盘上、下表面采用高密度载流子蚀刻而成，其平面结构图如图3 1 所示，线圈不 再是密绕在铁芯上了，其线圈匝数即为螺旋线圈的总圈数( 图中线圈匝数为1 0 匝) 。 由初、次级线圈匝数可得变比，图中为了更清楚地反映线圈结构，故意对线圈宽度 放大化。实际上，线圈宽度远远小于线圈间距，可忽略不计。 由于螺旋线圈的半径参数随转过的角度而动态变化，计算起来必然有诸多不便， 故可将同匝螺旋线圈进行积分，等效为一组同心圆线圈 2 2 - 2 6 在线圈线宽可忽略的 情况下，图3 1 的线圈经简化后大致如图3 - 2 所示。 图3 - 1 初、次级螺旋线圈尺寸结构示意图 图3 2 初、次级同心圆线圈尺寸结构示意图 1 8 第三章半导体平面变压器的参数计算 这样，螺线线圈互感计算就转化成不同圈层间的互感了，图3 3 所示是同心圆 式线圈轴向结构示意图。由